SU529712A1

SU529712A1 - Metal ion source

Info

Publication number: SU529712A1
Application number: SU2156566A
Authority: SU
Inventors: В.А. Груздев; Ю.Е. Крейндель; А.П. Семенов
Original assignee: Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники
Priority date: 1975-07-15
Filing date: 1975-07-15
Publication date: 1977-06-05

Description

1one

Изобретение относитс к конструкции источников ионов и может быть также использовано в ускорительной технике.The invention relates to the construction of ion sources and can also be used in accelerator technology.

Известны источники ионов металлов, содержащие тигель с помещенным в него рабочим веществом, ионизационную (или разр дную) камеру и, систему извлечени lSources of metal ions are known that contain a crucible with a working substance placed in it, an ionization (or discharge) chamber, and an extraction system l

В ионизационной (или разр дной) камере источников осуществл етс ионизаци паров рабочего вещества и образование ионов металлов. Дл обеспечени паровой фазы металлов разогрев тигл в известных источниках осуществл етс с помощью специальных подогревателей непосредственно пропусканием тока по тиглю или электронной бомбардировкой. Давление паров рабочего металла при этих способах нагрева ограничиваетс максимально допустимой температурой Тигл , при которой он сохран ет свои конструктивные параметры, В р де случаев эта предельно-до пусти ма температура может быть существенно ниже темпера1уры плавлени металла тиг|Л вследствие возможного образовани In the ionization (or discharge) chamber of the sources, the vapors of the working substance are ionized and metal ions are formed. In order to provide the vapor phase of metals, the heating of the crucible in known sources is carried out with the help of special heaters by directly passing current through the crucible or by electron bombardment. The vapor pressure of the working metal with these heating methods is limited by the maximum allowable temperature of the crucible at which it retains its design parameters. In some cases, this maximum-to-empty temperature can be significantly below the melting temperature of the metal crucible | L due to the possible formation of

легкоплавких эвтектик при взаимодействий испар емого материала и материала тигл .low-melting eutectics during the interaction of the evaporated material and the crucible material.

Кроме того, наличие разогретых до высоких температур конструктивных элементов , снижает надежность источников ионов, использующих рассмотренные способы разогрева рабочего вещества.In addition, the presence of structural elements heated to high temperatures reduces the reliability of ion sources using the above methods for heating a working substance.

Известны источники ионов металлов, содержащие соосные анод, катод, отражатель электронов, расходуемый элемент их рабочего вещества и систему извлечени , в в которых расходуемый элемент из вещества выполнен как один из конструктивных элементов разр дной, камеры или все выполн ютс из вещества (металла), ионы которого необходимо получать.Sources of metal ions are known that contain a coaxial anode, a cathode, an electron reflector, a consumable element of their working substance and an extraction system in which the consumable element of the substance is made as one of the discharge discharge elements, the chamber or all are made of a substance (metal) which ions need to receive.

Пары рабочего вещества в этих источниках возникают вследствие разогрева в разр де элементов разр дной камеры или в результате катодного распылител . Однако поскольку испар емый материал вл етс в таких источниках составной частью конструктивных элементов.температура испар емого вещества ограничиваетс температурой его плавлени и достигнуть достаточно высокого давлени пара, а следовательно , и высокой производ гельности источника не удаетс . Целью изобретени вл етс повышение производительности и надежности источник ионов металлов. Это достигаетс тем, что предлагаемый источник снабжен соосными основными дополнительным катодами и анодом, размещенными последовательно вдоль оси между вйт гивающим электродом системы извлечени и отражателем электронов. Кроме того, с целью повышени эффективности использовани рабочего вещества катод снабжен полостью, в которой размещ расходуемый элемент из рабочего вещества На чертеже изображен предлагаемый ис точник. Он состоит из дополнительного катода 1 с полостным катодом 2 и анода 3, выполненного из немагнитного материала в виде пр моугольной рамки в двух против сто щих гран х которой имеютс отверсти 4 и 5. Перечисленные элементы образуют дополнительную разр дную камеру, магнитн поле в которой обеспечиваетс посто нными магнитами 6, Полюсными наконечникам магнитов вл етс дополнительный полостной катод, в который напускают газ с опре ленной скоростью, необходимый дл возбуж дени отражательного разр да. Основна разр дна камера дл генерации ионного пучка состоит из соосных отражател электронов 7 с эмиссионным отверстием 8, плоского или полостного катода 9 и цилиндрического анода 1О из немагнитного материала. Рабочее вещество помещаетс в случае плоского катода за отверстием в нем, в случае полостного катода - в катодной полости. Магнитное поле между отражателем электронов и катодом обеспечиваетс посто нным магнитом 11 или специальным соленоидом . Электрическое питание предлагаемого источника ионов металлов осуществл етс согласно схеме, показакгтэй на чертеже. Источник работает следующим образом. При подаче напр жени и.между электрически соединенными катодами 1, 2 и анодом 3 во вспомогательной разр дной камере зажигаетс низковольтный полокатодный отражательный разр д. Из плазмы этого разр да при подаче напр жени Uj между катодом основной разр дной камеры и анодом 3 вспомогательной разр дной каме ры осуществл етс эффективное извлечение электронов через отверстие 4. Электронный пучок, формирующийс в пространстве ускорени межд}. отражателем электронов 7 и анодом 3, проникает в ос-, новную разр дную камеру через отверстие 8 и попадает в полость катода 9. Продольное магнитное поле, создаваемое восковкойразр дной камере магнитом 11, оказывает на пучок фокусирующее действие, вследствие Чего потери электронов пучка при дзи- жении их к аноду 10 оказываютс незначительными . Электронный пучок обеслечивает локализованный разогрев, рабочего вещества в зоне взаимодействи с ним, интенсивное испарение рабочего вещества в основную разр дную камеру и ионизацию паров рабочего вещества. При этом основна масса рабочего вещества и конструктивные элементы основной и вспомогательной разр дных камер остаютс относительно холодными . Вследствие этого расход мощности , затрачиваемой на испарение единицы массы рабочего вещества, оказываетс наименьшим по сравнению с другими способами нагрева, используемыми в известных источниках ионов, так как в предлагаемом конструкции снижаютс потери на Теплопроводность и излучение. Применение катода 9 с полостью оказываетс более предпочтительным, поскольку при интенсивном испарении рабочего вещества давление паров в ней достаточно велико, вследствие чего в основной разр дной камере про вл етс эф())ект полого катода, обеспечивающий интенсивную ионизацию пара в полости и в межкатодном пространстве при подаче напр жени Up между электрически соединенными отражателем электронов 7, катодом 9 и анодом 10. Образовавшиес в основной разр дной Камере ионы рабочего вещее гва, двига сь в направлении отражател элекгронов 7, попадают в эмиссионное отверстие 8. Выход в промежуток между отражателем электронов 7 и анодом 3, ионы ускор ютс тем же напр жением, что и электронный пучок и, проход через отверсти 4 и 5, попадают в свободное пространство, где могут быть использованы в технологических цел х или подвергнуты дополнительному ускорению. Поскольку во вспомогательной камере возбуждаетс полукатодный отражательный разр д, допустимое минимальное давление в камере составл ет около 10 мм рт. ст. В совокупности с малыми размерами камеры такое давление не приводит к рассе нию пучка ионов и коэффиThe vapors of the working substance in these sources arise due to the heating in the discharge of the elements of the discharge chamber or as a result of the cathode atomizer. However, since the vaporized material is in such sources an integral part of the structural elements. The temperature of the vaporized substance is limited by its melting temperature and a sufficiently high vapor pressure is achieved, and consequently, the high efficiency of the source is not successful. The aim of the invention is to improve the performance and reliability of the source of metal ions. This is achieved by the fact that the proposed source is provided with coaxial main additional cathodes and an anode placed successively along the axis between the rotating electrode of the extraction system and the electron reflector. In addition, in order to increase the efficiency of using the working substance, the cathode is provided with a cavity in which the consumable element from the working substance is placed. The figure shows the proposed source. It consists of an additional cathode 1 with a cavity cathode 2 and an anode 3 made of a non-magnetic material in the form of a rectangular frame in two opposite faces of which there are holes 4 and 5. These elements form an additional discharge chamber, the magnetic field in which is provided Permanent magnets 6. The pole tips of the magnets is an additional cavity cathode into which gas is infused at a certain rate, necessary to excite a reflective discharge. The main discharge chamber for generating an ion beam consists of coaxial electron reflector 7 with an emission hole 8, a flat or cavity cathode 9, and a cylindrical anode 1O of a nonmagnetic material. The working substance is placed in the case of a flat cathode behind a hole in it, in the case of a cavity cathode in the cathode cavity. The magnetic field between the electron reflector and the cathode is provided by a permanent magnet 11 or a special solenoid. The electrical supply of the proposed metal ion source is carried out according to the scheme shown in the drawing. The source works as follows. When a voltage is applied, an electrically connected cathodes 1, 2 and anode 3 in the auxiliary discharge chamber are ignited and a low-voltage polecodode reflective discharge is ignited. From this discharge plasma, when voltage Uj is applied between the cathode of the main discharge chamber and the anode 3 auxiliary discharge the chamber is efficiently extracting electrons through the opening 4. An electron beam that is formed in the acceleration space between}. the electron reflector 7 and the anode 3 penetrates into the main discharge chamber through the opening 8 and enters the cavity of the cathode 9. The longitudinal magnetic field created by waxing the discharge chamber with the magnet 11 causes the beam to have a focusing effect due to - their life to the anode 10 is insignificant. The electron beam causes localized heating of the working substance in the zone of interaction with it, intensive evaporation of the working substance into the main discharge chamber, and ionization of the working substance vapor. At the same time, the main mass of the working substance and the structural elements of the main and auxiliary discharge chambers remain relatively cold. As a result, the power consumption spent on the evaporation of a unit mass of the working substance turns out to be the smallest compared to other heating methods used in known ion sources, since the proposed design reduces thermal conductivity and radiation losses. The use of a cathode 9 with a cavity is more preferable, since with intense evaporation of the working substance the vapor pressure in it is large enough, as a result of which in the main discharge chamber there is an effect ()) of an empty cathode that provides intensive ionization of steam in the cavity and in the inter-cathode space when voltage Up is applied between electrically connected electron reflector 7, cathode 9 and anode 10. Formed in the main discharge chamber the ions of the working thing are moving in the direction of the electron reflector at 7, they enter the emission hole 8. The exit between the electron reflector 7 and the anode 3, the ions are accelerated by the same voltage as the electron beam and, passing through the holes 4 and 5, enter free space, where for technological purposes or subject to additional acceleration. Since a semi-cathode reflective discharge is excited in the auxiliary chamber, the allowable minimum pressure in the chamber is about 10 mm Hg. Art. Together with the small dimensions of the chamber, such pressure does not lead to scattering of the ion beam and