RU2808774C1 - Method for obtaining charged particles - Google Patents
Method for obtaining charged particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808774C1 RU2808774C1 RU2023104362A RU2023104362A RU2808774C1 RU 2808774 C1 RU2808774 C1 RU 2808774C1 RU 2023104362 A RU2023104362 A RU 2023104362A RU 2023104362 A RU2023104362 A RU 2023104362A RU 2808774 C1 RU2808774 C1 RU 2808774C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- discharge chamber
- inductor
- ion
- frequency
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 16
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 14
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000007734 materials engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 32
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 3
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 2
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 2
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000002889 diamagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 238000000752 ionisation method Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002907 paramagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано, в частности, для технологической обработки поверхности изделий.The invention relates to the field of plasma technology and can be used, in particular, for technological processing of the surface of products.
Известны источники заряженных частиц, основанные на емкостном и индуктивном высокочастотных разрядах (Е.А. Кралькина. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе. Успехи физических наук, Т. 178, №5, 2008 г. с. 519-540).There are known sources of charged particles based on capacitive and inductive high-frequency discharges (E.A. Kralkina. Inductive high-frequency low-pressure discharge and the possibility of optimizing plasma sources based on it. Advances in Physical Sciences, T. 178, No. 5, 2008 p. 519 -540).
Индуктивный высокочастотный разряд без магнитного поля известен уже более ста лет. Это разряд, возбуждаемый током, текущем по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника заряженных частиц из диэлектрика.Inductive high-frequency discharge without a magnetic field has been known for more than a hundred years. This is a discharge excited by a current flowing through an inductor located on the side or end surface of a usually cylindrical source of charged particles made of a dielectric.
Для получения емкостного высокочастотного разряда переменное напряжение прикладывается к электродам, часто плоскопараллельным. Между ними зажигается разряд. Возникновение разряда обусловлено потенциальным электрическим полем конденсатора. Электроды либо помещают в газоразрядную камеру, наполненную газом, либо располагают снаружи газоразрядной камеры со стенками из материала, обладающего диэлектрическими свойствами. В отличие от постоянного, для переменного тока присутствие диэлектрика в цепи не является препятствием. Система электродов в этом случае представляет собой конденсатор (А.А. Жуков, М.С. Круглов, И.Н. Егоршин. Физические процессы в плазме емкостного высокочастотного разряда низкого давления. Учебное пособие. Хабаровск. Издательство ДВГГУ, 2012 г.).To obtain a capacitive high-frequency discharge, an alternating voltage is applied to electrodes, often plane-parallel. A discharge is ignited between them. The occurrence of a discharge is caused by the potential electric field of the capacitor. The electrodes are either placed in a gas-discharge chamber filled with gas, or placed outside the gas-discharge chamber with walls made of a material with dielectric properties. Unlike direct current, for alternating current the presence of a dielectric in the circuit is not an obstacle. The electrode system in this case is a capacitor (A.A. Zhukov, M.S. Kruglov, I.N. Egorshin. Physical processes in the plasma of a capacitive high-frequency low-pressure discharge. Textbook. Khabarovsk. Publishing house DVGGU, 2012).
Общей конструктивной особенностью перечисленных устройств является наличие газоразрядной камеры, на внешней поверхности которой или внутри нее расположен индуктор (антенна). С помощью антенны, подключенной к высокочастотному генератору, в объем газоразрядной камеры вводится высокочастотная мощность и зажигается безэлектродный разряд. Токи, текущие по антенне, индуцируют в плазме вихревое электрическое поле, которое нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего тела.A common design feature of the listed devices is the presence of a gas-discharge chamber, on the outer surface of which or inside it there is an inductor (antenna). Using an antenna connected to a high-frequency generator, high-frequency power is introduced into the volume of the gas-discharge chamber and an electrodeless discharge is ignited. Currents flowing through the antenna induce an eddy electric field in the plasma, which heats the electrons to the energies necessary for effective ionization of the working fluid.
Несмотря на большое число вариантов плазменных устройств, работающих на индуктивном высокочастотном разряде, а также постоянно возрастающие и изменяющиеся потребности плазменных технологий требуют разработки новых способов получения заряженных частиц, усовершенствования моделей существующих устройств и разработки новых перспективных моделей.Despite the large number of options for plasma devices operating on an inductive high-frequency discharge, as well as the ever-increasing and changing needs of plasma technologies require the development of new methods for producing charged particles, improving models of existing devices and developing new promising models.
Известен аналог - способ получения ионов и источник ионов для его осуществления (патент на изобретение РФ, RU 2095877, опубликован 10.11.1997 г.).An analogue is known - a method for producing ions and an ion source for its implementation (RF patent for invention, RU 2095877, published 11/10/1997).
Способ получения ионов включающий подачу рабочего газа в разрядный объем, ограниченный стенками аксиально-симметричной камеры, по меньшей мере одна из которых выполнена частично прозрачной для ионов, генерацию плазмы в разрядном объеме путем возбуждения в нем высокочастотного поля и аксиально-симметричного стационарного неоднородного магнитного поля спадающего к оси симметрии разрядного объема, в котором возбуждают безвихревую электрическую компоненту высокочастотного поля параметры которых достаточны для резонансного возбуждения в разрядном объеме собственных плазменных волн, а также извлечение ионов из плазмы и формирование ионного пучка наложением стационарного электрического поля со стороны частично прозрачной для ионов стенки, при этом осуществляют резонансное возбуждение в плазме собственных электростатических волн путем выбора величины индукции стационарного магнитного поля максимальна в разрядном объеме и частоты высокочастотного поля при заданном значении плотности ионного тока.A method for producing ions includes supplying a working gas to a discharge volume limited by the walls of an axially symmetric chamber, at least one of which is made partially transparent to ions, generating plasma in the discharge volume by exciting a high-frequency field in it and an axially symmetric stationary inhomogeneous magnetic field decreasing to the axis of symmetry of the discharge volume, in which the irrotational electric component of the high-frequency field is excited, the parameters of which are sufficient for the resonant excitation of own plasma waves in the discharge volume, as well as the extraction of ions from the plasma and the formation of an ion beam by applying a stationary electric field from the side of the wall partially transparent to ions, with In this case, resonant excitation of its own electrostatic waves in the plasma is carried out by selecting the maximum value of the induction of the stationary magnetic field in the discharge volume and the frequency of the high-frequency field at a given value of the ion current density.
Источник ионов, содержащий аксиально симметричную газоразрядную камеру, одна из стенок которой выполнена частично прозрачной для ионов, магнитную систему, создающую в камере стационарное аксиально симметричное неоднородное магнитное поле спадающее к оси симметрии камеры, размещенный вне объема камеры узел ввода высокочастотной мощности, подключенный к высокочастотному генератору возбуждающий в камере продольную безвихревую электрическую компоненту высокочастотного поля образованный системой по меньшей мере из двух проводников тока, и электрическую систему извлечения ионов и формирования ионного пучка, включающую по меньшей мере один ускоряющий электрод, причем часть стенок камеры выполнена из диэлектрического материала, а проводники тока установлены на диэлектрических стенках камеры.An ion source containing an axially symmetric gas-discharge chamber, one of the walls of which is made partially transparent for ions, a magnetic system that creates in the chamber a stationary axially symmetric inhomogeneous magnetic field decreasing to the axis of symmetry of the chamber, a high-frequency power input unit located outside the chamber volume, connected to a high-frequency generator exciting in the chamber a longitudinal irrotational electric component of a high-frequency field formed by a system of at least two current conductors, and an electrical system for extracting ions and forming an ion beam, including at least one accelerating electrode, wherein part of the chamber walls is made of a dielectric material, and the current conductors are installed on the dielectric walls of the chamber.
Известен аналог - ионный двигатель, основанный на принципе высокочастотного самосмещения (патент на изобретение КНР, CN 109162882 А, опубликован 09.10.2018 г.).An analogue is known - an ion engine based on the principle of high-frequency self-bias (invention patent of the People's Republic of China, CN 109162882 A, published on 10/09/2018).
Разработанный ионный двигатель имеет функциональное применение как двигатель, но может быть применим как технологический источник и его конструкция построена на основе высокочастотного разряда. Ионный двигатель содержит газоразрядную камеру, высокочастотную антенну, ионно-оптическую систему. Газоразрядная камера предназначена для обеспечения замкнутой зоны ионизации рабочего тела и плазмообразования, высокочастотный источник и устройство согласования мощности расположены вне газоразрядной камеры, высокочастотная антенна расположена на верхней поверхности газоразрядной камеры и изолирована от нее кварцевым стеклом, множество входных каналов для подачи рабочего тела равномерно распределены на боковой поверхности газоразрядной камеры, а ионно-оптическая система расположена на торцевой поверхности газоразрядной камеры и состоит из эмиссионного электрода и ускоряющего электрода, расположенных параллельно друг другу.The developed ion engine has a functional application as an engine, but can be used as a technological source and its design is based on a high-frequency discharge. The ion engine contains a gas-discharge chamber, a high-frequency antenna, and an ion-optical system. The gas-discharge chamber is designed to provide a closed zone of ionization of the working fluid and plasma formation, the high-frequency source and power matching device are located outside the gas-discharge chamber, the high-frequency antenna is located on the upper surface of the gas-discharge chamber and is isolated from it by quartz glass, many input channels for supplying the working fluid are evenly distributed on the side surface of the gas-discharge chamber, and the ion-optical system is located on the end surface of the gas-discharge chamber and consists of an emission electrode and an accelerating electrode located parallel to each other.
Один конец высокочастотного источника и устройства согласования мощности соединен с высокочастотной антенной, а другой конец соединен с эмиссионным электродом ионно-оптической системы через изолирующий конденсатор. Поскольку ускорение ионов и извлечение электронов осуществляются с помощью высокочастотного эффекта самосмещения, квазинейтральность потока частиц может быть обеспечена без нейтрализатора.One end of the high frequency source and power conditioner is connected to the high frequency antenna, and the other end is connected to the emission electrode of the ion optical system through an isolating capacitor. Since the acceleration of ions and the extraction of electrons is carried out using a high-frequency self-bias effect, quasi-neutrality of the particle flow can be ensured without a neutralizer.
Дальнейшим развитием по улучшению характеристики источника заряженных частиц является следующий аналог.A further development to improve the characteristics of the source of charged particles is the following analogue.
Известен аналог - высокочастотный ионный двигатель малой тяги с тангенциальным полем (патент на изобретение КНР, CN 111322214 А, опубликован 23.03.2020 г.).An analogue is known - a low-thrust high-frequency ion engine with a tangential field (invention patent of the People's Republic of China, CN 111322214 A, published 03/23/2020).
Функциональное назначение данного источника ионов аналогично указанным в патенте на изобретение CN 109162882 А. Высокочастотный ионный двигатель содержит высокочастотную антенну, узел газораспределения рабочего тела, газоразрядную камеру, постоянные магниты, источник питания постоянного тока, высокочастотный источник питания и ионно-оптическую систему. Газоразрядная камера представляет собой цилиндрическую разрядную полость. Газораспределитель рабочего тела соединен с газоразрядной камерой. Нейтральный газ поступает в газоразрядную камеру через газораспределитель рабочего тела, а высокочастотный источник расположен вне газоразрядной камеры. Высокочастотная антенна расположена в торцевой части ионизационной камеры. Два конца высокочастотной антенны соединены с двумя полюсами высокочастотного источника. Постоянные магниты многоуровневой структуры расположены вокруг газоразрядной камеры, а полярности постоянных магнитов противоположны. Электроды ионно-оптической системы соединены с положительным и отрицательным полюсом источника питания постоянного тока.The functional purpose of this ion source is similar to that specified in the invention patent CN 109162882 A. The high-frequency ion engine contains a high-frequency antenna, a gas distribution unit for the working fluid, a gas-discharge chamber, permanent magnets, a direct current power source, a high-frequency power source and an ion-optical system. The gas discharge chamber is a cylindrical discharge cavity. The working fluid gas distributor is connected to the gas discharge chamber. Neutral gas enters the gas-discharge chamber through the gas distributor of the working fluid, and the high-frequency source is located outside the gas-discharge chamber. The high-frequency antenna is located at the end part of the ionization chamber. The two ends of the high frequency antenna are connected to the two poles of the high frequency source. Permanent magnets of a multi-level structure are located around the gas-discharge chamber, and the polarities of the permanent magnets are opposite. The electrodes of the ion optical system are connected to the positive and negative poles of the DC power supply.
Размещение антенны высокочастотного поля внутри камеры с целью снижения потерь при прохождении высокочастотного поля и устранение диэлектрической преграды привело к снижению энергозатрат на плазмообразования в керамической газоразрядной камере, но ее расположение в торцевой части разрядной камеры не позволяет в полной мере раскрыть возможности высокочастотного разряда по длине камеры и, несмотря на применение магнитного поля, требует оптимизации газоразрядной камеры по линейным размерам - длине и выходному сечению.Placing a high-frequency field antenna inside the chamber in order to reduce losses during the passage of the high-frequency field and eliminating the dielectric barrier led to a reduction in energy consumption for plasma formation in the ceramic gas-discharge chamber, but its location in the end part of the discharge chamber does not allow fully revealing the capabilities of the high-frequency discharge along the length of the chamber and , despite the use of a magnetic field, requires optimization of the gas-discharge chamber in terms of linear dimensions - length and outlet cross-section.
Недостатком вышеуказанных способов получения ионов и конструкций источников ионного является то, что газоразрядная камера выполнена из материала, обладающего диэлектрическими свойствами, который является ограничением для прохождения высокочастотного поля через стенки газоразрядной камеры, а также требует оптимизации газоразрядной камеры по линейным размерам. Это приводит к повышенным затратам электроэнергии на плазмообразования в газоразрядной камере. Также недостатком способов ионизации, где используют при разработке диэлектрические газоразрядные камеры, является их низкая стойкость к термическим и механическим нагрузкам, и как следствие накладывает ограничение на разработку крупногабаритных (диаметром более 300 мм) источников заряженных частиц и их ресурс. Использование металлических рабочих тел типа цезий, ванадий, ртуть, йод и другие накладывают дополнительные ограничения на их применения, связанные с тем, что при отключении источника заряженных частиц остатки рабочего тела осаждаются на стенки диэлектрических газоразрядный камер, чем снижают их диэлектрические свойства.The disadvantage of the above methods for producing ions and designs of ion sources is that the gas-discharge chamber is made of a material with dielectric properties, which is a limitation for the passage of a high-frequency field through the walls of the gas-discharge chamber, and also requires optimization of the gas-discharge chamber in terms of linear dimensions. This leads to increased energy consumption for plasma formation in the gas-discharge chamber. Also, a disadvantage of ionization methods where dielectric gas-discharge chambers are used in the development is their low resistance to thermal and mechanical loads, and as a consequence imposes a limitation on the development of large-sized (diameter more than 300 mm) sources of charged particles and their resource. The use of metal working fluids such as cesium, vanadium, mercury, iodine and others impose additional restrictions on their use due to the fact that when the source of charged particles is turned off, the remains of the working fluid are deposited on the walls of dielectric gas-discharge chambers, thereby reducing their dielectric properties.
Известен прототип - прямоточный электрореактивный двигатель (патент на изобретение РФ, RU 2614906, опубликован 30.03.2017 г.).A prototype is known - a direct-flow electric jet engine (RF patent for invention, RU 2614906, published 03/30/2017).
Изобретение относится к источникам ионов и имеет функциональное применение как двигатель, но вполне может быть применим как технологический источник и его конструкция построена на основе высокочастотного разряда.The invention relates to ion sources and has a functional application as a motor, but may well be applicable as a technological source and its design is based on a high-frequency discharge.
Источник ионов содержащий корпус с осесимметричным прямоточным каналом, по меньшей мере один нейтрализатор пространственного заряда ионного потока, цилиндрическую камеру ионизации и ускорения ионов с устройством ввода электромагнитной энергии в разрядный объем, имеющего форму спирали, где на внешнюю поверхность витков индуктора нанесено проницаемое для электромагнитного поля диэлектрическое покрытие и установленного в полости камеры ионизации и ускорения ионов включает ионно-оптическую систему, содержащую эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды и установленную в выходном отверстии прямоточного канала, при этом витки индуктора расположены вдоль поверхности вращения, соосной прямоточному каналу, площадь поперечного сечения которой увеличивается в направлении от разрядной камеры к электродам ионно-оптической системы. Данное устройство работает по известному способу, включающему в себя использование электродов для ввода электромагнитной энергии, размещенных в газоразрядной камере (А.А. Жуков, М.С. Круглов, И.Н. Егоршин. Физические процессы в плазме емкостного высокочастотного разряда низкого давления. Учебное пособие. Хабаровск. Издательство ДВГГУ. 2012 г.).An ion source containing a housing with an axisymmetric direct-flow channel, at least one neutralizer of the space charge of the ion flow, a cylindrical chamber of ionization and acceleration of ions with a device for introducing electromagnetic energy into the discharge volume, having the shape of a spiral, where a dielectric, permeable to the electromagnetic field, is applied to the outer surface of the inductor turns coating and installed in the cavity of the ionization and acceleration chamber includes an ion-optical system containing emission, accelerating and decelerating electrodes and installed in the outlet of the direct-flow channel, while the turns of the inductor are located along the surface of rotation, coaxial to the direct-flow channel, the cross-sectional area of which increases by direction from the discharge chamber to the electrodes of the ion-optical system. This device operates according to a well-known method, which includes the use of electrodes for input of electromagnetic energy placed in a gas-discharge chamber (A.A. Zhukov, M.S. Kruglov, I.N. Egorshin. Physical processes in the plasma of a capacitive high-frequency low-pressure discharge. Textbook, Khabarovsk, Far Eastern State University Publishing House, 2012).
Недостатком изобретения является то, что данный способ организации высокочастотного разряда, несмотря на эффективность размещения ввода электромагнитной энергии в разрядный объем, имеет низкую надежность, которую авторы изобретения компенсировали покрытием спирали, а именно на внешнюю поверхность витков индуктора нанесено проницаемое для электромагнитного поля диэлектрическое покрытие, что аналогично применению спирали на внешней стороне газоразрядной камеры, как это используется в ранее разработанных конструкциях источников ионов.The disadvantage of the invention is that this method of organizing a high-frequency discharge, despite the efficiency of placing the input of electromagnetic energy into the discharge volume, has low reliability, which the authors of the invention compensated for by coating the spiral, namely, a dielectric coating that is permeable to the electromagnetic field is applied to the outer surface of the inductor turns, which similar to the use of a helix on the outside of the gas discharge chamber, as used in previously developed ion source designs.
Следует заметить, что качество покрытия индуктора существенно влияет на надежность источника ионов, что приводит к его неработоспособности, о чем указано в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Суворова М.О. (Тяговый узел прямоточного электроракетного двигателя», Москва, 2018 г. 109 с.).It should be noted that the quality of the inductor coating significantly affects the reliability of the ion source, which leads to its inoperability, as indicated in the dissertation for the degree of candidate of technical sciences by M.O. Suvorov. (Traction unit of a direct-flow electric rocket engine", Moscow, 2018, 109 p.).
В указанной работе предложен вариант, предусматривающий возможность подключения высокочастотного генератора и блоков питания ионно-оптической системы таким образом, чтобы индуктор находился под плавающим потенциалом, или под потенциалом эмиссионного электрода, во избежание возникновения электрического пробоя между индуктором и конструктивными элементами источника ионов.In this work, an option is proposed that provides for the possibility of connecting a high-frequency generator and power supplies of the ion-optical system in such a way that the inductor is under a floating potential, or under the potential of the emission electrode, in order to avoid the occurrence of electrical breakdown between the inductor and the structural elements of the ion source.
Несмотря на то, что согласно схеме подключения, рассмотренной в данной работе, газоразрядная камера находится под плавающим потенциалом, проблема пробоев изоляции витков индуктора не была решена и в конечном счете не способствует повышению надежности источника ионов.Despite the fact that, according to the connection diagram considered in this work, the gas-discharge chamber is under a floating potential, the problem of inductor turns insulation breakdown has not been solved and ultimately does not contribute to increasing the reliability of the ion source.
Как данный способ, так и конструкция источника ионов, не предполагает использование рабочего тела в виде газообразных металлов типа цезий, ртуть, йод, висмут и т.д. в виду того, что данные материалы при использовании в технологических источниках ионов имеют особенность осаждаться на поверхности газоразрядной камеры или индуктора с диэлектрическим покрытием, а это приводит к пробою электрической цепи и выходу источника ионов из строя.Both this method and the design of the ion source do not involve the use of a working fluid in the form of gaseous metals such as cesium, mercury, iodine, bismuth, etc. due to the fact that these materials, when used in technological ion sources, have the peculiarity of being deposited on the surface of a gas-discharge chamber or inductor with a dielectric coating, and this leads to breakdown of the electrical circuit and failure of the ion source.
Целью изобретения является расширение диапазона применяемых рабочих тел и материалов газоразрядной камеры, возможность использования газоразрядных камер более широкого диапазона объемов, а также повышение стабильности работы источника заряженных частиц.The purpose of the invention is to expand the range of used working fluids and materials of the gas-discharge chamber, the possibility of using gas-discharge chambers of a wider range of volumes, as well as increasing the stability of the source of charged particles.
На фиг. 1 представлена схема подключений для реализации способа получения заряженных частиц.In fig. Figure 1 shows a connection diagram for implementing the method for producing charged particles.
Способ получения заряженных частиц включает подачу рабочего тела в объем разрядной камеры 1, ионизацию рабочего тела путем ввода высокочастотной электромагнитной энергии через индуктор 2, расположенный внутри разрядной камеры 1 и подключенный к высокочастотному генератору 3 через емкости 4, подключение источника напряжения 5 к эмиссионному электроду 6 ионно-оптической системы 7, подключение источника напряжения 8 противоположной полярности к ускоряющему электроду 9 ионно-оптической системы 7, заземление или подключение к контакту с нулевым потенциалом электрода 10 ионно-оптической системы и извлечение заряженных частиц из объема разрядной камеры 1.The method for producing charged particles includes supplying a working fluid into the volume of a
На фиг. 2 представлена схема подключений для реализации способа получения заряженных частиц с включением согласующего устройства в цепь между емкостями и высокочастотным генератором.In fig. Figure 2 shows a connection diagram for implementing a method for producing charged particles with the inclusion of a matching device in the circuit between the capacitors and the high-frequency generator.
Технический результат изобретения достигается за счет следующего:The technical result of the invention is achieved due to the following:
1. Использование газоразрядной камеры из электропроводящего материала позволяет избежать проблем, связанных с термоциклированием, которые приводят к разрушению структуры керамических газоразрядных камер больших размеров (диаметром свыше 300 мм). Также это позволяет использовать электропроводящие рабочие тела (цезий, висмут, йод и т.п.) без опасений пробоя, связанного с осаждением подобного рабочего тела на стенках газоразрядной камеры.1. The use of a gas-discharge chamber made of electrically conductive material avoids problems associated with thermal cycling, which lead to the destruction of the structure of large ceramic gas-discharge chambers (diameter over 300 mm). This also allows the use of electrically conductive working fluids (cesium, bismuth, iodine, etc.) without fear of breakdown associated with the deposition of such a working fluid on the walls of the gas-discharge chamber.
2. Наличие газоразрядной камеры из электропроводящего материала требует внутреннего расположения индуктора, так как его размещение на внешней поверхности газоразрядной камеры приводит к значительным потерям высокочастотной мощности на возбуждение вихревых токов в стенках газоразрядной камеры и, как следствие, меньшей эффективности получения заряженных частиц. В свою очередь, внутреннее расположение индуктора сопряжено с его возможным электрическим контактом с плазмой внутри газоразрядной камеры, находящейся под большим потенциалом, близким к потенциалу эмиссионного электрода ионно-оптической системы. Во избежание в цепи индуктора электрического пробоя, вызванного контактом с плазмой внутри газоразрядной камеры, в цепь индуктора включаются две емкости большой величины (более нескольких нФ), размыкающие цепь индуктора по постоянному току.2. The presence of a gas-discharge chamber made of electrically conductive material requires an internal location of the inductor, since its placement on the outer surface of the gas-discharge chamber leads to significant losses of high-frequency power for the excitation of eddy currents in the walls of the gas-discharge chamber and, as a consequence, less efficiency in obtaining charged particles. In turn, the internal location of the inductor is associated with its possible electrical contact with the plasma inside the gas-discharge chamber, which is under a high potential, close to the potential of the emission electrode of the ion-optical system. To avoid electrical breakdown in the inductor circuit caused by contact with the plasma inside the gas-discharge chamber, two large capacitors (more than several nF) are included in the inductor circuit, opening the inductor circuit for direct current.
3. Для максимизации передачи высокочастотной мощности от высокочастотного генератора к плазме внутри газоразрядной камеры, в электрическую цепь между индуктором с емкостями и высокочастотным генератором включается согласующее устройство.3. To maximize the transfer of high-frequency power from the high-frequency generator to the plasma inside the gas-discharge chamber, a matching device is included in the electrical circuit between the inductor with capacitors and the high-frequency generator.
4. Покрытие индуктора диэлектрическим материалом позволяет устранить электрический контакт плазмы внутри газоразрядной камеры с индуктором и, таким образом, убрать из цепи индуктора высоковольтные емкости. Также подобное покрытие снижает вложение высокочастотной мощности в плазму внутри газоразрядной камеры через емкостной канал, связанный с наличием высокочастотного напряжения между витками индуктора, что, в свою очередь, приводит к увеличению эффективности описываемого метода получения заряженных частиц.4. Coating the inductor with a dielectric material allows you to eliminate the electrical contact of the plasma inside the gas-discharge chamber with the inductor and, thus, remove high-voltage capacitors from the inductor circuit. Also, such a coating reduces the investment of high-frequency power into the plasma inside the gas-discharge chamber through a capacitive channel associated with the presence of high-frequency voltage between the turns of the inductor, which, in turn, leads to an increase in the efficiency of the described method for producing charged particles.
5. Покрытие индуктора более устойчивым к распылению материалом позволяет продлить срок его службы.5. Coating the inductor with a material more resistant to atomization allows you to extend its service life.
6. Выполнение газоразрядной камеры из чередующихся сегментов, обладающих диэлектрическими и электропроводящими свойствами, устраняет индуцированные высокочастотные вихревые азимутальные токи внутри стенок газоразрядной камеры, что уменьшает соответствующие потери высокочастотной мощности и увеличивает эффективность метода получения заряженных частиц. Также это позволяет разместить индуктор на внешней поверхности газоразрядной камеры и устранить его контакт с плазмой внутри газоразрядной камеры. Отсутствие контакта с плазмой внутри газоразрядной камеры устраняет необходимость в емкостях в цепи индуктора, а также повышает эффективность метода получения заряженных частиц за счет уменьшения токов, связанных с межвитковыми емкостями индуктора.6. Making the gas-discharge chamber from alternating segments having dielectric and electrically conductive properties eliminates induced high-frequency eddy azimuthal currents inside the walls of the gas-discharge chamber, which reduces the corresponding losses of high-frequency power and increases the efficiency of the method for producing charged particles. This also makes it possible to place the inductor on the outer surface of the gas-discharge chamber and eliminate its contact with the plasma inside the gas-discharge chamber. The absence of contact with the plasma inside the gas-discharge chamber eliminates the need for capacitors in the inductor circuit, and also increases the efficiency of the method for producing charged particles by reducing the currents associated with the interturn capacitances of the inductor.
7. Выполнение стенок газоразрядной камеры из диамагнитного или парамагнитного материала дает возможность создания внутри газоразрядной камеры постоянного магнитного поля за счет расположенной вне газоразрядной камеры магнитной системы, которая может состоять из электромагнитов, постоянных магнитов или их комбинации. Создание внутри газоразрядной камеры с помощью подобной магнитной системы продольного постоянного магнитного поля или магнитного поля с преимущественной продольной компонентой позволяет увеличить долю вложенной в плазму высокочастотной мощности и уменьшить потери, связанные с уходом из этой плазмы частиц на стенки газоразрядной камеры, что приведет к росту эффективности описываемого метода получения заряженных частиц.7. Making the walls of the gas-discharge chamber from diamagnetic or paramagnetic material makes it possible to create a constant magnetic field inside the gas-discharge chamber due to a magnetic system located outside the gas-discharge chamber, which can consist of electromagnets, permanent magnets, or a combination thereof. The creation inside a gas-discharge chamber using a similar magnetic system of a longitudinal constant magnetic field or a magnetic field with a predominant longitudinal component makes it possible to increase the share of high-frequency power invested in the plasma and reduce losses associated with the escape of particles from this plasma onto the walls of the gas-discharge chamber, which will lead to an increase in the efficiency of the described method for producing charged particles.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808774C1 true RU2808774C1 (en) | 2023-12-05 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2095877C1 (en) * | 1995-06-19 | 1997-11-10 | Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института | Ion production method and ion source implementing it |
| RU2642852C1 (en) * | 2016-10-27 | 2018-01-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for stationary generation of ion beam |
| EP3427285A1 (en) * | 2016-03-08 | 2019-01-16 | Pantechnik | Device for modulating the intensity of a particle beam from a charged particle source |
| EP3683820A1 (en) * | 2019-01-18 | 2020-07-22 | Justus-Liebig-Universität Gießen | Device for generating ion beams with adaptable ion beam profiles |
| RU2746555C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-04-15 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for forming large volumes of low-temperature magnetized plasma |
| RU204397U1 (en) * | 2020-12-21 | 2021-05-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Device for excitation of a discharge in an RFI plasmatron |
| RU208093U1 (en) * | 2021-09-13 | 2021-12-01 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии" (ФГБНУ ВНИИРАЭ) | PLASMA SOURCE |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2095877C1 (en) * | 1995-06-19 | 1997-11-10 | Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института | Ion production method and ion source implementing it |
| EP3427285A1 (en) * | 2016-03-08 | 2019-01-16 | Pantechnik | Device for modulating the intensity of a particle beam from a charged particle source |
| RU2642852C1 (en) * | 2016-10-27 | 2018-01-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for stationary generation of ion beam |
| EP3683820A1 (en) * | 2019-01-18 | 2020-07-22 | Justus-Liebig-Universität Gießen | Device for generating ion beams with adaptable ion beam profiles |
| RU2746555C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-04-15 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for forming large volumes of low-temperature magnetized plasma |
| RU204397U1 (en) * | 2020-12-21 | 2021-05-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Device for excitation of a discharge in an RFI plasmatron |
| RU208093U1 (en) * | 2021-09-13 | 2021-12-01 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии" (ФГБНУ ВНИИРАЭ) | PLASMA SOURCE |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Е.А. Кралькина. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе. Успехи физических наук, 2008, Т. 178, N5, с. 519-540. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6803585B2 (en) | Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter | |
| US7863582B2 (en) | Ion-beam source | |
| EP0648069B1 (en) | RF induction plasma source for plasma processing | |
| CN109786205B (en) | Electron cyclotron resonance ion source | |
| US6250250B1 (en) | Multiple-cell source of uniform plasma | |
| JP2591579B2 (en) | Plasma generator | |
| US7176469B2 (en) | Negative ion source with external RF antenna | |
| CN108322983B (en) | Floating electrode reinforced dielectric barrier discharge dispersion plasma jet generating device | |
| US6246059B1 (en) | Ion-beam source with virtual anode | |
| KR20140130542A (en) | Toroidal plasma chamber for high gas flow rate process | |
| US6975072B2 (en) | Ion source with external RF antenna | |
| KR20070104701A (en) | Inductive coupled plasma source with plasma discharging tube covered with magnetic core block | |
| KR20180001804A (en) | Plasma generator | |
| KR20090037343A (en) | Magnetized inductively coupled plasma processing apparatus and generating method | |
| US2920236A (en) | Apparatus for heating ions | |
| US3015745A (en) | Apparatus for ionising a gas to obtain high intensity pulsed ions or electrons | |
| RU2808774C1 (en) | Method for obtaining charged particles | |
| KR100972371B1 (en) | Compound plasma source and method for dissociating gases using the same | |
| RU187270U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| RU2121729C1 (en) | Gaseous-discharge device | |
| RU2749668C1 (en) | Ion source | |
| RU2196395C1 (en) | Plasma reactor and plasma generating device (alternatives) | |
| KR20110006070U (en) | Magnetized inductively coupled plasma processing apparatus | |
| RU2483501C2 (en) | Plasma reactor with magnetic system | |
| Dahiya et al. | Discharge characteristics of a low-pressure geometrically asymmetric cylindrical capacitively coupled plasma with an axisymmetric magnetic field |