UA43863C2 - Іонний випромінювач з закритим дрейфом електронів - Google Patents

Abstract

Іонне джерело з закритим дрейфом електронів містить головний кільцевий іонізуючий та прискорюючий канал (122), задній кінець котрого відкритий та, принаймні, внутрішня стінка якого виготовлена з електропровідного матеріалу. Кінцеві елементи (164, 165), доведені до потенціалу нижчого, ніж потенціал аноду (125), служать продовженням кільцевого каналу (122) за ним. Крім того, іонне джерело містить порожнистий катод (140), засоби подачі іонізованого газу, з'єднані з катодом (140) та з анодом (125), засоби для поляризації анода (125) та засоби для створення магнітного поля у головному кільцевому каналі (122).

Description

Настоящее изобретение относится к ионньім источникам с закрьтьм дрейфом злектронов, которье могут бьїть использованьі в качестве двигателей, в частности, космических кораблей, либо в качестве ионньїх источников для промьішленньх операций, таких как, в частности, нанесение покрьтия напьілением в вакууме, нанесение покрьтия с помощью производимьх ионов (І. А. Ю. "п Аввізїей Оерозйоп" (Нанесение покрьїтия с помощью ионов) или сухое травление микросхем.

Промьшленнье операции обработки пучков йионов могут способствовать внедрению ионньх источников с сеткой или с закрьтьмм дрейфом злектронов. Первоначально зти два вида ионньїх источников бьіли разработань! для использования в космосе (ионнье двигатели или плазменньсе двигатели).

Плазменнье стационарньюе двигатели, которье бьли разработаньї проф. Морозовьм, интенсивно использовались в качестве космических двигателей.

На фиг.2 представлен осевой разрез приведенного в качестве примера двигателя, разработанного профессором Морозовьм, которьй бьл опубликован в документе ЕН-А-2693770 и, которьій принят в качестве прототипа. В соответствий с зтим документом ионньй источник с закрьїтьїм дрейфом злектронов, содержит главньй кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал, задний конец которого открьт, по меньшей мере один польій компенсационньй катод, расположенньїй снаружи главного кольцевого канала, средства для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, которье приспособленьі для создания в указанном канале существенно радиального магнитного поля, имеющего градиент с максимальной индукцией на заднем конце канала, первое средство подачи йионизируемого газа, соединенное с польмм катодом, и второе средство подачи ионизируемого газа, расположенное перед главнь/м кольцевьм каналом, и средства для поляризации, взаимодействующие с анодом.

Зтот двигатель отличаєтся тем, что он имеет успокоительную камеру, причем ее размер, в радиальном направлений превьшает размер главного кольцевого канала. Анод расположен на изоляционньмх злементах, образующих кольцевой канал, в зоне, расположенной сразу же за успокоительной камерой.

Кольцьцевой распределитель ионизируемого газа располагаєется в глубине успокоительной камернь!.

В обьічньїх двигателях с закрьтьм дрейфом злектронов в таких как те, которне представлень на фиг.1, значительная часть ионизации локализуется в средней части. Часть ионов ударяются о стенки, что является причиной бьстрого износа стенок и уменьшает, таким образом, срок службь! двигателя.

Распределение ознергии злектронов в плазме может бьть уменьшено благодаря распределению магнитного поля, обеспечиваемому геометрией полюсньїх деталей. Магнитное поле воздействуєт на злектроньї, входящие в канал. Благодаря зтому, обеспечивают более низкий злектрический потенциал вдоль линий магнитного поля, что уменьшает расходимость ионного пучка на стенках и устраняєт, таким образом, потери ионов в результате столкновений со стенками, что способствует увеличению козффициента полезного действия и снижению разброса пучка при вьіходе из двигателя. Воздействуя на соотношение токов в катушке, можно, напротив, создать такое распределение поля (например, однообразное изменение радиального поля в плоскости вьіхода между наружньмм полюсньім злементом и внутренним полюсньїм злементом), которое не позволит достигнуть режима со слабьм расхождением.

В основу настоящего изобретения поставлена задача упрощение производства ионньїх источников, облегчений их разборки и увеличений их.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаєется ионньїй источник с закрьтьм дрейфом злектронов, содержащий главньй кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал, задний конец которого открьтї, по меньшей мере один поль компенсационньй катод, расположенньй снаружи главного кольцевого канала, средства для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, которье приспособленьі для создания в указанном канале существенно радиального магнитного поля, имеющего градиент с максимальной индукцией на заднем конце канала, первое средство подачи ионизируемого газа, соединенное с польмм катодом, и второе средство подачи ионизируемого газа, расположенное перед главньм кольцевьмм каналом, и средства для поляризации, взаймодействующие с анодом; и в соответствии с изобретением, главньй кольцевой канал ионного источника вьшполнен из злектропроводящего материала и содержит стенку, контактирующую с плазмой разряда между анодом и катодом, а источник содержит защитнье кольца, доведеннье до потенциала, величина которого меньше величиньії потенциала анода, служат продолжением кольцевого канала на его вьходе, причем зти защитнье кольца предохраняют центральньй и периферийньй полюснье башмаки, входящие в состав указанньїх средств для создания магнитного поля и ограничивающие воздушньй зазор, в котором радиальное магнитное поле действует с максимальной индукцией.

Ввиду того, что задняя часть канала подвергается интенсивной зрозии йонами, которая может вьізвать вероятное загрязнение обрабатьваеємой подложки продуктами зрозии, согласно изобретению, можно изготовить заднюю часть, из материала, отличающегося от материала передней части кольцевого канала, при зтом задняя часть должна бьть существенно совместима с очастично ионизированньм плазмообразующим газом.

Согласно первому варианту вьіполнения изобретения, по меньшей мере, часть главного внутреннего канала злектрически поляризуется поляризационньми средствами таким образом, чтобь, по меньшей мере, одна часть внутренней стенки главного кольцевого канала образовьвала непосредственно указанньй анод.

Согласно частному варианту вьшолнения изобретения, главньй кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал является моноблочньм узлом, которьй состоит из злектропроводящего материала.

Более конкретно, главньій кольцевой канал образует блок главного кольцевого канала, которьй закрьт в своей передней части успокоительной камерой, в которую подаєтся плазмообразующий газ с помощью указанного второго средства подачи газа, включающего кольцевой распределитель, соединенньй с подводящим трубопроводом.

Согласно частному варианту вьшполнения, средства для создания магнитного поля содержит магнитную цепь, состоящую из корпуса, на котором закреплен блок главного кольцевого канала, причем указанньій корпус содержит осевой сердечник, на котором установлень нижний центральньій полюсньй башмак и верхний центральньй полюсньй башмак.

Согласно частному варианту вьіполнения, в связи с тем, что испаряемьй материал может осаждаться в кольцевом канале, внутренние стенки кольцевого канала частично покриваются изоляционньм слоем для того, чтобьї устранить воздействие испаряемого материала на злектропроводящий материал, из которого изготовлен указанньй канал.

Согласно другому частному варианту вьіполнения, внутренние стенки блока кольцевого канала плакируются благородньм металлом, таким как платина, золото или родий для того, чтобьі устранить повреждения в результате химического воздействия газов, находящихся в указанном канале.

Согласно еще одному частному варианту вьіполнения изобретения, наружньюе стенки и внутренние стенки главного кольцевого канала изготовленьь из злектропроводящего материала и злектрически изолировань от остальной части злементов конструкции источника, включая и анод.

В озтом случає, целесообразно, чтобь! концевье детали бьли изготовленьй из дизлектрического материала покрьівали частично главньй кольцевой канал.

Согласно частному варианту, указаннье концевье детали изготовляются в виде вставок из керамического материала, которне крепятся к опорам таким, как металлические листь!, которье можно крепить, например, винтами на полюсньх деталях.

Злектропроводящие стенки кольцевого канала и успокоительной камерь имеют неустойчивьй потенциал, величина которого немного меньше величинь! потенциала анода. Такая конструкция позволяет уменьшить взаймодействия плазмь! со стенками и, следовательно, нагрев канала. Вследствие зтого канал может бьїть изготовлен из более тонкого листа.

Блок канал удерживаеєтся относительно магнитного поля посредством колонок, изготовленньїх из материала с низкой злектропроводностью, относительно блока канала, анод удерживаєтся изоляторами, а подача питания на него осуществляется через проводник по оси одной из колонок.

Подача газа осуществляется через блок канал.

И вьішеизложенного видно, что настоящее изобретение обеспечиваєет технический результат за счет того, что: внутренняя часть главного кольцевого канала вьіполнена из злектропроводящего материала и содержит стенку, контактирующую с плазмой разряда между анодом и катодом; защитнье кольца имеют потенциал, величина которого меньше величинь! потенциала анода, и служат продолжением кольцевого канала на его виходе; защитнье кольца защищают центральньй и периферийньійй полюснье башмаки, которне ограничивают воздушньй зазор, в котором радиальное магнитное поле действует с максимальной индукцией.

Тот факт, что обеспечиваєтся вьшполнениеє защитньїх колец из другого материала, чем материал главного кольцевого канала, гарантирует лучшую адаптацию к условиям работь! и более легкий процесс изготовления злементов, которне подвергаются сильнейшим воздействиям при обеспечений устранения взаймодействия между полюсньіми башмаками и плазмой так, чтобьї полюснье башмаки не подвергались ионной зрозии от воздействия плазмьі!.

Таким образом, защитнье кольца по существу представляют три функции: они оограничивают полезную часть магнитного поля, создаваемого полюсньми башмаками, действующими на плазме; они защищают полюснье башмаки от ионной зрозии; они предохраняют производственньй процесс, в котором используєтся такой ионньій источник, от воздействия нежелательньх продуктов ионной зрозии.

Из сказанного вьіше видно, что изобретениє способствует обеспечению большей гибкости при использований, уменьшению массь! йонного источника при увеличениий его долговечности, упрощению производства такого ионного источника для увеличения его механической прочности, и уменьшению змиссии частиц, происходящей из-за зрозии стенок канала ускорения. Другие характеристики и преимущества изобретения будут понятньї из нижеследующего описания вариантов вьполнения приведенньїх в качестве не ограничивающих примеров со ссьлками на прилагаемьсе чертежи, в числе которьх: фиг.1 - вид в осевом разрезе ионного источника, согласно первому варианту вьіполнения изобретения; фиг.2 - схематический разрез для обьяснения работь ионного источника, согласно изобретению; фиг.3 - диаграмму, на которой показано изменение величинь! злектрического потенциала М плазмь! в зависимости от положения 7 в осевом направлений соответствующем среднему радиусу канала, изображенного на фиг.2; на фиг.4 - вид в осевом разрезе ионного источника, иллюстрирующий альтернативньй вариант установки злементов согласно первому варианту вьіполнения изобретения; на фиг.5 - перспективньій вид, показьівающий установку различньїх злементов, образующих ионньй двигатель, согласно первому варианту вьіполнения изобретения; на фиг.б - перспективньій вид половиньії осевого разреза йонного источника, согласно первому варианту вьіполнения изобретения, на котором показана подача возгоняемого твердого тела в канал; на фиг.7 - вид половиньї осевого разреза кольцевого канала ионного источника, согласно первому варианту вьшолнения изобретения, показьвающий частичноеє нанесение изоляционного слоя на внутренние стенки кольцевого канала; фиг.8 - вид в осевом разрезе ионного источника с закрьтьм дрейфом, согласно второму варианту вьіполнения изобретения; фиг.9 - детальньїйй вид, показьівающий пример паянного соединения, которое может бьіть вьіполнено между вставкой из дизлектрического материала и злектропроводящей опорой и обеспечить центрирование ускорительного канала йонного источника, согласно второму варианту вьіполнения изобретения.

Рассмотрим вначале фигуру 1, на которой показан общий вид в осевом разрезе первого варианта ионного источника с закрьтьїм дрейфом злектронов, согласно изобретению.

Конструкция и изготовление кольцевого канала значительно упрощеньй по сравнению со случаеєм известного источника, применяемого в космосе.

Успокоительная камера 1, размерь которой уменьшень, и передняя часть главного кольцевого ускорительного канала образует моноблочньй металлический узел 2, которьй будет назьваться в нижеследующем описании " блок-канал " и которьй вьіполняет, в частности, роль анода 3.

Магнитная цепь, состоящая из корпуса 4, осевого сердечника 5, полюсного башмака 6, внутреннего полюсного башмака 7, анкерньїх болтов 8 и наружного полюсного башмака 9, определяєт максимальное магнитное поле в воздушном зазоре, образованном полюсньіми башмаками 7, 9.

Зто поле имеет минимум вблизи полюсньїх башмаков 6.

Поле создается внутренней катушкой 10 и одной или несколькими наружньми катушками 11, что позволяет вьіравнивать его распределение и регулировать таким образом расхождение пучка ионов.

В своей передней части, блок-канал 2 имеет успокоительную камеру, которая снабжена каналом распределителя газа 12, в которьій он подается через трубопровод 13. Зтот блок-канал 2, служащий анодом З, удерживается, по меньшей мере, тремя колонками 14, при зтом одна из них может бьть образована самим трубопроводом 13. Зти колонки 13, 14 крепятся на изоляторах 15 гайками 16. Таким образом, колонки 13, 14 могут отсоединяться от изоляторов 15 для того, чтобьі обеспечить снятие кольцевого блок-канала 2. Злектростатические колпаки 17, 18, 19 позволяют предотвратить разряд.

Подача газа осуществляется с помощью трубопровода, соединенного с массой 20, изолятора 21 и штуцера, содержащего прокладку 22 и гайку 23. Зтот узел устанавливаєтся в основание 24, которое служит опорой для источника.

Злектрический разряд, производящий пучок ионов устанавливаєтся между польм катодом 25, в которьій подаеєется благородньій газ или смесь газа, по меньшей мере, один из зтих газов может бьть реактивньм.

Тип материала блок-канала 2 может вьібираться в зависимости от ионизируемого газа, в то время, как тип материала защитньїх колец 26, 27, которне устанавливаются в качестве продолжения блока блок- канала 2, за ним и которне подвержень зрозии под воздействием ионов, может вьібираться одновременно с учетом типа газа и в соответствии с требованиями , которьім должна отвечать обрабатьвваеємая подложка (например, полупроводник или тонкий оптический слой). На зтом оснований, сьемнье защитньсе кольца 26, 27, которне располагаются соответственно в наружном 9 и внутреннем полюсньїх башмаках 7, 9, могут бьть изготовленьі из углерода (характеризующегося низкой степенью зрозии), из керамического композиционного материала (такого, как композиционньй материал, состоящий из кремния, нитрата кремния и нитрата титана), из алюминия, нержавеющей стали, благородного металла (такого, как платина или золото).

Расположенньюе снаружи блок-канала 2, зкраньй 28, 29, 30 играют одновременно термическую и злектростатическую роль относительно блок-канала 2. Они препятствуют чрезмерному нагреву полюсньх башмаков и катушек и образуют вокруг блок - канала 2 поле; препятствующее разрядам. Таким образом, главньйй кольцевой блок-канал 2 изолирован термически и злектрически от остальной части источника 28, 29, 30 вакуумом. Пространство между кольцевь!м блок-каналом 2 и остальной частью источника находится в пределах от 1 до 5мм.

Испьтания показали, что используя блок-канал 2 , изготовленньй полностью из проводникового материала, взаймодействующего в задней части с концевьми деталями 7, 9, 26, 27 доведенньіми до отличающегося потенциала менее вьсокого, в случае необходимости, чем потенциал массьі, можно получить профиль потенциала плазмьі вдоль средней оси блок-канала 2 (фиг.3), которьій практически идентичен профилю потенциала стационарньїх плазменньїх двигателей (СРТ) первого поколения. Итак, можно создать постепенное ускорение ионов в канале, образованном из двух зон, доведенньх до разньх потенциалов. Профиль магнитного поля в плазме определяется толщиной защитньх колец 26, 27, которье защищают полюсовье детали от ионной зрозии плазмь!.

Определение типа материала стенок канала в зависимости от типа промьішленной обработки, при которой используются ионьі, произведеннье источником, является исключительно проблемой химии ввиду реакции стенки с частично ионизированньм плазмогенерирующим газом. Используя ионньїй Источник, вьіполненньій согласно изобретению, и благодаря стенкам из проводникового материала, теперь можно использовать зтот источник для полного диапазона операций обработки, для которьх обьічнье источники с каналом из керамического материала малоприменимь!.

Злектрическая изоляция блок-канала 2 относительно корпуса осуществляется посредством трех снабженньїх изоляторами 15 колонок 14. Злектрическая изоляция переднего торца, боковьїх торцов, и заднего торца блок-канала 2 относительно заземленньїх деталей (то есть, полюсовьїх башмаков 7 и 9 и термических зкранов защитньїх колец 28 и 29) обеспечиваєтся вакуумом. Действительно, небольшое расстояниє между стенками (около одного миллиметра) и небольшое давление (2 : 107 - 5 10"мбар) приводит к разрядному напряжению, значительно превиішающему рабочее напряжение (согласно закону

Паскаля).

Блок-канал 2 получаєт тепловой поток изученньй и рассеянньй (в результате неупругих столкновений ионов и злектронов) плазмой. Зто соответствует мощности в несколько сотен ватт для источника в 1,5кВт.

Для того, чтобьї устранить возможность чрезмерного нагрева полюсньїх деталей (температура которьх должна всегда оставаться ниже точки Кюри), катушек и сьемньїх соединительньїх узлов: изоляторов 15, гаек 23, прокладок 22 тепловніе потери блок-канала 2, образующего анод З в сторону отдачи остальной части источника ограничиваются благодаря специальньм особенностям конструкции.

Таким образом, единственное подводящее тепло соединение с источником состоит из польїх колонок опор 14 и подводящего газ трубопровода 13.

Зти колонки могут бьіть изготовленьї из материала с плохой теплопроводностью (нержавеющая сталь, инконель) таким образом, чтобьї как можно больше уменьшить передачу теплового потока.

Кроме того, следует отметить, что зти колонки (и/лили подводящий газ трубопровод) обеспечивают возможность дифференциального теплового расширения о блок-канала 2, образующего анод З относительно магнитного корпуса 4.

Кроме того, излучаємьй тепловой поток ограничиваєется: обеспечивая слабую излучающую способность наружньїх поверхностей блок-канала 2, образующего анод З (например, с помощью полировки наружньх поверхностей); устанавливая защитньій от облучения зкран 29 между блок-каналом 2, которьй образует анод 3, и катушкой 10, причем зтот зкран вьіполняет также роль злектростатического зкрана; устанавливая наружньй зкран 28, которьій препятствует облучению катушек 11 и полюсного башмака 9.

Зтот зкран 28 может бьіть вьіполнен, например, либо в виде массивного, такого, которьій изображен на фиг.1, которьій отражаєт тепловой поток на большую поверхность, либо в виде зкрана, с закрьітьїми сетками окнами 31, изображенного на фиг.4, обеспечивающего прямое облучение блок-канала 2, образующего анод З в некотором пространственном угле.

Снятие блока канала облегчаєтся благодаря конструктивньм особенностям /источника, представленньєе на фиг.5.

Часть, которая служит продолжением блок-канала 2, за ним разделена на две сьемньх и взаймозаменяеємьх кольца. Наружное защитное кольцо 26 устанавливается на наружном полюсном башмаке 9 с помощью винтов, в то время как внутреннее защитное кольцо 27 стопорится в установленном положений внутренним полюсньім башмаком 7. Для того чтобь!ї заменить кольцо 26 и 27, достаточно снять полюснье башмаки.

Распределитель газа 12 составляет единое целое с успокоительной камерой 1.

Блок-канал 2 также вьіполнен в виде металлической легкозаменяемой детали. Для того, чтобь! снять блок-канал 2 необходимо сперва извлечь узел, состоящий из наружного полюсного башмака 9, защитного кольца 26 и зкрана 28 и узел, состоящий из внутреннего полюсного башмака и защитного кольца 27. Зту первую стадию разборки можно осуществлять без виіполнения операций разрегулировки, оставляя при зтом источник на месте его установки.

Затем, достаточно снять колпаки 18 и 19 для того, чтобьї обеспечить доступ к гайкам 16, для обеспечения возможности отсоединения колонок 14 и трубопровода 13 для извлечения блок-канала 2 в осевом направлений.

Соединениє между системой подачи газа и трубопроводом 13 герметичное. Плоская прокладка 22 обеспечиваєт плотность двух деталей. Она расплющиваєется гайкой 23. Для того, чтобьі обеспечить легкий доступ к гайкам 16 и 23, основание 24 вьіполнено сьемньм (фиг. 1). В нем предусмотрено отверстие 32 для вьхода газа, закрьтое сеткой для того, чтобьї исключить возможность проникновения плазмьї, находящейся в вакуумной камере внутри пространства, образованного основанием 24 и магнитньм корпусом 4. Поляризационньй провод 33 анода З и трубопровод подачи газа 20 установлень рациональньім образом в промежутке между корпусом 4 и основанием 24 для того, чтобьі не затруднять снятие зтого основания.

На фиг.6б показано устройство, обеспечивающее подачу в блок-канал 2 частиц возгоняемого в вакууме твердого тела (металль! с вьісокой упругостью пара, летучие окисль!). Зто позволяет ионизировать зти парь (частично) для осуществления нанесения реактивного или не реактивного покрьтия в вакууме.

Для обеспечения вьісококачественного термического контроля блок-канала 2, можно снабдить наружньй зкран 28 нагревательньім злементом 34. Следует отметить, что форма успокоительной камерь похожа на форму тигля, что позволяет виіравнивать поток пара. В случає необходимости, можно ввести в зту камеру конический карниз 35.

На фиг.7 представлен вариант блок-канала 2, снабженньійй внутренним изолирующим покрьттием 36, которое ограничиваєет злектропроводящую зону 37, образующую анод З напротив минимума поля.

На фиг.8 показан общий вид в осевом разрезе второго варианта йонного источника с закрьїтьі!мМ дрейфом злектронов, согласно изобретению. Зтот ионньій источник содержит следующие составляющие злементь!: польїй компенсационньій катод 38, расположенньій снаружи, собственно говоря, источника за ним; магнитную цепь, содержащую корпус 39, расположенньй перед источником и соединительнье стержни 40, 41, соединяющие корпус 39 с наружньмм полюсньмм башмаком 42 и внутренним полюсньм башмаком 43, изготовленнье в форме колец, расположенньїх за ионньім источником; катушки 44, 45, предназначеннье для создания магнитодвижущей силь, состоящие из катушек, которье могут бьть расположень, например, вокруг.

Как видно из анализа фигурьі 8, злектропроводящие стенки 49, 50 злектрически соединеньї между собой проводниковьім основаниеєм 65, образующим совместно с злектропроводящими стенками 49, 50 моноблочньй узел, которьй в свою очередь, может бьіть присоединен к узлу распределителя газа 54.

Цилиндрически поверхности стенок 49 и 50 соединень! с основанием камерь 65 по радиусам кривой, обеспечивающим гладкую постепенно изменяющуюся поверхность. Таким образом, злектрическое поле, образованноеє между злектропроводящими стенками 49, 50 и проводниковьми зкранами 63, 64, соединенньми с корпусом, не претерпеваєт значительного увеличения, которое может привести к пробою.

Передняя часть ускоряющего блок-канала 48 отделена от полюсньїх злементов 46, 47, а также от злектростатических зкранов 63, 64 вакуумньм пространством. Таким образом, также, как и в случає варианта вьіполнения, представленного на фиг.1, главньйй кольцевой блок-канал 48 злектрически и термически изолировань от остальной части источника 63, 64, 46, 47, 39 вакуумом, причем, пространство, заключенное между главньм кольцевьм блок-каналом 48 и остальной частью источника, находится в пределах от 1 до 5мм. Согласно варианту вьіполнения, (частично) для осуществления нанесения реактивного или не реактивного покрьтия в вакууме.

Для обеспечения вьісококачественного термического контроля блок-канала 2, можно снабдить наружньй зкран 28 нагревательньім злементом 34. Следует отметить, что форма успокоительной камерь похожа на форму тигля, что позволяет вьіравнивать поток пара. В случає необходимости, можно ввести в зту камеру конический карниз 35.

На фиг.7 представлен вариант блок-канала 2, снабженньійй внутренним изолирующим покрьїтием 36, которое ограничиваєт злектротпроводящую зону 37, образующую анод З напротив минимума поля.

На фиг.8 показан общий вид в осевом разрезе второго варианта йонного источника с закрьїтьі!мМ дрейфом злектронов, согласно изобретению. Зтот ионньій источник содержит следующие составляющие злементь!: польїй компенсационньій катод 38, расположенньій снаружи, собственно говоря, источника за ним; магнитную цепь, содержащую корпус 39, расположенньй перед источником и соединительнье стержни 40, 41, соединяющие корпус 39 с наружньмм полюсньмм башмаком 42 и внутренним полюсньм башмаком 43, изготовленнье в форме колец, расположенньїх за ионньім источником; катушки 44, 45, предназначеннье для создания магнитодвижущей силь, состоящие из катушек, которье могут бьть расположень, например, вокруг некоторьїх соединительньх стержней 40, 41 и полюсньх злементов 46, 47, которне определяют минимум поля рядом с анодом; ионизирующий и ускоряющий кольцевой блок-канал 48, которьй ограничен в задней части цилиндрической металлической наружной стенкой 49 и цилиндрической металлической внутренней стенкой 50 и продолжение которого в ускорительной зоне образовано двумя кольцами 51, 52 из дизлектрического (керамического) материала, которье удерживаются относительно внутреннего полюсового злемента 43 и наружного полюсового злемента 42, либо с помощью механического соединения (устанавливаются между полюсньм злементом и металлическим блокирующим злементом), либо посредством пайки каждого керамического кольца 51, 52 на металлической опоре, которая сама крепиться винтами на полюсной соответствующей детали 42, 43.

В дно успокоительной камерь! устанавливают цилиндрический анод 53 и распределитель газа 54, при зтом анод 53 блокируется на месте установки изоляторами 55, которне прижимаются распределителем газа 54 к дну камерьї с помощью анкерньх болтов 56 и распорок 57.

Зти узльі, состоящие из анкерньїх болтов 56 и распорок 57, устанавливаются на изоляторах 58, обеспечивающих точную установку относительно магнитной цепи (и более точно, относительно корпуса 39).

В распределитель 54 газ подаєтся через трубопровод 59 и через штуцер 60, установленньій на изоляторе 58.

Поляризация анода обеспечивается помощью анкерньїх болтов 61 и поляризационного провода 62.

Анод 53 и распределитель газа 54 оказьіваются в положении, обеспечивающем их легкое снятие.

Кроме того, ионньій источник содержит злектростатические проводниковье зкраньі 63,64, которье охватьввают кольцевой блок-канал 48.

Зкрань 63, 64 могут скользить на их задних концах соответственно на керамическом наружном кольце 51 и керамическом внутреннем кольце 52.

То же справедливо и для блок-канала 48, концьі которого могут бьіть снабженьі! металлическим проводом, устраняющим зффект острого конца или же возможностей разряда.

Свободное пространство, созданное между злектропроводящими зкранами 63, 64 и металлическими стенками 49, 50 имеет почти постоянную ширину (обьічно колеблющуюся в пределах от 1 до 5мм) таким образом, чтобьї можно бьло устранить возможность злектрического разряда между стенками 49, 50 и зкранами 63, 64. Зкраньі 63, 64 могут бьіть снабженьі сеткой для того, чтобьї обеспечить возможность удаления газа из пространства, образованного зкранами и стенками 49, 50.

Кольца 51, 52 имеют длину вдоль ускоряющего блок-канала 48, которьій лежит по меньшей мере по зоне, соответствующей длине І! зоньї зрозии, вьізьіваемой ионами.

Как видно из анализа фиг. 8, злектропроводящие стенки 49, 50 определяют ширину ускоряющего блок- канала 48 в радиальном направлений, которая может превьішать ширину ускоряющего блок-канала 48, определяемую в радиальном направлений концевьми кольцами 51, 52 из дизлектрического материала.

Действительно, такое расположение позволяет устранить возникновение прерьівистости (нарушения сплошности) в месте перехода зоньії отложения в зону зрозии, при зтом сдой осаждаєтся постепенно на поверхности стенок 49 и 50.

Однако, следуєт отметить, что можно изготовить источник, в котором поверхности стенок 49 и 50 бьіли бьї вьіполнень с диаметром концевьїх колец 51, 52 или же даже с диаметром меньшим (49) и большим (50) (указанного диаметра концевьх колец 51, 52) с конической соединительной муфтой, зто позволит уменьшить воздушньй зазор между вспомогательньмми полюсовьми злементами 46, 47.

Как видно из анализа фигурьі 8, злектропроводящие стенки 49, 50 злектрически соединень! между собой проводниковьім основаниеєм 65, образующим совместно с злектропроводящими стенками 49, 50 моноблочньй узел, которьй в свою очередь, может бьіть присоединен к узлу распределителя газа 54.

Цилиндрически поверхности стенок 49 и 50 соединень! с основанием камерь! 65 по радиусам кривой, обеспечивающим гладкую постепенно изменяющуюся поверхность. Таким образом, злектрическое поле, образованноеє между злектропроводящими стенками 49, 50 и проводниковьми зкранами 63, 64, соединенньми с корпусом, не претерпевает значительного увеличения, которое может привести к пробою.

Передняя часть ускоряющего блок-канала 48 отделена от полюсньїх злементов 46, 47, а также от злектростатических зкранов 63, 64 вакуумньим пространством. Таким образом, также, как и в случає варианта вьіполнения, представленного на фиг.1, главньйй кольцевой блок-канал 48 злектрически и термически изолировань от остальной части источника 63, 64, 46, 47, 39 вакуумом, причем, пространство, заключенноеє между главньм кольцевьм блок-каналом 48 и остальной частью источника, находится в пределах от 1 до 5мм. Согласно варианту вьіполнения, представленному на фиг.8 , стенки 49, 50 кольцевого блок-канала 48 злектрически изолировань от остальной части злементов конструкции источника, включая и анод 53.

Также можно привести вспомогательнье полюснье злементь! 46, 47 в контакт с злектростатическими зкранами 63, 64, также в целях уменьшения воздушного зазора и улучшения контроля профиля магнитного поля.

Наружная поверхность стенок 49, 50, 65, а также наружная и внутренняя поверхности зкранов 63, 64 могут бьіть отполировань для того, чтобьї уменьшить радиальнье радиоактивньсе потери. Зто позволяет, в частности, уменьшить тепловой поток на центральной катушке 45 (фиг.8).

И наоборот, согласно варианту вьіполнения, лишь наружная поверхность наружной стенки 49 камерь может бьїть покрьта покрьітием с вьісоким козффициентом излучения также, как и поверхности зкрана 64, при зтом часть зкрана 63, которая обращена к внутренней стенке 50, остается отполированной. Такой вариант улучшаєт охлаждение облучением проводникового канала и одновременно, препятствует разогреву центральной катушки 45.

Срок службьі и зффективность работьї йонного источника зависит от функциональньїх явлений, которне происходят внутри ионизационного слоя.

Основное явление, которое определяет срок службь! являєтся зрозия концевьїх колец 51, 52 узла, состоящего из разрядной камерь и ускоряющего блок-канала 48, происходящая в результате вьіброса ускоренньх ионов к стенкам.

Характеристики целостности ионного источника с закрьтьм дрейфом злектронов широко определень и подтвержденьї геометрией и интенсивностью магнитного поля в ускоряющем канале и остаются стабильньми даже тогда, когда задняя часть вьїхода разрядной камерь расширяєется в результате воздействия на неєб вьброса ионов. Значительное ухудшение зффективности работь! двигателя наблюдалось только после того, как біл осуществлен польй вьіброс ионов на стенки разрядной камерь! в промежуток между полюсами магнитной системьї! и после того, как сами полюса 42, 43 бьіли подвержень! воздействию значительньїх вьібросов. В зтом случаеє , изменения топологии и интенсивности магнитного поля являются основньіми причинами ухудшения рабочих характеристик.

В случає настоящего изобретения, используются для концевьїх колец 51, 52 стенок узла, состоящего из разрядной камерь и ускоряющего канала, вставки из дизлектрического материала достаточно толстого, имеющего вьісокую стойкость против пульверизации ускоренньіми ионами, что способствует увеличению срока службь! комплекса ионного источника.

Из обьічньїх известньїх ионньїх источников с закрьтьм дрейфом злектронов, бьіли займствовань материаль, имеющие вьсокую стойкость к термическим ударам и вьібросам ускоренньїх ионов, для изготовления стенок разрядной камерь. Известно, что керамические злементьі из оксидов алюминия (глинозема) имеют очень вьісокую стойкость к вьібросам ускоренньіїх ийонов, но характеризуется также недостаточной теплостойкостью, которая бьістро приводит к образованию трещин на стенках камерь,, вследствие многочисленньїх циклов запуска источника. Зти зффектьі являются следствием вьсокого температурного градиента наблюдаєемого при запуске вдоль относительно тонких стенок камерь. Однако, в случае когда, в соответствии с изобретением, используют только вставки колец 51, 52 с относительно мальми размерами, расположенньмх рядом с вьіходом из камерь, можно изготовить вставки из глинозема с удовлетворительной теплостойкостью.

Кроме того, учитьивая форму кривой потенциала плазмь! У, которая остаєтся существенно постоянной настолько долго пока радиальная составляющая В; магнитной индукции остаєется ниже 0,6Влах или 0,ЗВлах согласно режиму работь, где Втлах обозначаєт максимальную величину зтой радиальной составляющей В, замена согласно изобретению, проводниковой стенки 49, соответственно 50 на стенку из дизлектрического материала для зоньї разрядной камерь! соответствующей части существенно постоянной кривой М не вьізьіваєт заметного ухудшения процесса работь в системе источника. Зто бьіло проверено при поведений различньх исследований работь источника.

Благодаря тому, внутренняя и наружная проводниковье стенки 49, 50 злектрически изолируются от остальной части конструкции ионного источника, можно обеспечить вьісокую стабильность процесса работь! ионного источника и виіравнивать параметрь плазмь! в зоне расположенной рядом с анодом 53.

Однако, в некоторьїх случаях, стенки 49, 50 могут бьіть также соединеньі с анодом 53 с помощью злектрического сопротивления.

Мзготовление злектропроводящих стенок 49, 50 из металла или композиционного материала способствует уменьшению массь! комплекса ионного источника.

Следует учитьівать тот факт, что злектропроводящие стенки 49, 50 имеют потенциал, приблизительно равньй потенциалу анода, в то время, как во время работь! злементь! конструкции магнитной системь! (злементь! 39, 40, 41) находятся под воздействием потенциала, приблизительно равного потенциалу катода. Для того чтобьї устранить возникновение злектрических разрядов между магнитной системой и камерой, зта камера окружена проводниковьмми зкранами 63, 64, расположенньми на небольшом приблизительно постоянном расстояниий от стенок 49, 50 и 65.

Очень прочное соединение керамических деталей-колец 51, 52 и опор 66, 65 может бьіть обеспечено пайкой.

На фиг.9 приведен пример паяного соединения, которое допускает возможность дифференциальньх расширений между деталями 51 соответственно 52, и металлической опорь! 66 соответственно 65, с соблюдением требования злектрического поля между зкраном 64, соответственно 63 и стенкой 49, соответственно 50.

Для зтой цепи, опора 64 содержит загнутьй конец 68, которьій смачивается припоем 69, и опора 67 может бьїть виіполнена таким же образом.

ТЕ жов 29

Е і щі рон І б КА пи А МЯ ше

І і - іх ЦІ Лижи К КЕ че її ще МА АД О Еге з

Фен | Ж Кк и зн іч в т з песни жи хви вич че в ШК а ЯН з 5 ;

Не а Е Ж | НО: 1» - 1 весен Кк З Мн я се і с ІБ джктоя ч вк вт ЩІ тв Е АЗК м й

Іден - і | ше за сти шк у шк ІДИ Ї; Па УА НІ ШЕ ЕН п сома чщьх вони с | и . Ес Бу 13 г З й сх 4 г х ТИ НВ й ЕК ї ЗО ! т ЕК В ШЕ ЕВ --Я

ПІ Не н ва ЗД ЕЙ г й о е-Т ШІ зи ще за АН. НИКИ ЖЕ

М -я 0 Єееененнекій їз 2а 23 ин пив ні нн панди | т пефаьюни й ї Н і | шк "В що : в ВЕН яд є

З й мя їв Кк

Ї 2 сей" мл слляях вача ан нн а Ан НН А А А А А и а 1 ї тв я

Фіг. 1 ет слив В

ТМ сссоЙ

У ШО. ше ши

Х

Фиг. З 26 и рогом

Ши МУЖА 44 шаг ш гені І 5 ве ОО МК є

І цей х З и и- В

ПК з й ти | ей

ОН - дте ;

МО. Сет . ЧІ І; | Зо -ї Я. о, і 4) чн Ї Її В Її й а Бе о Це й 4 пн жк тв --5 |В

Фиг. 4 й х 7

Й в сн о у Ф ос» з «В щі ; КК, ОА и»

ПУБ -. Де й ак жк ї и 4 рик й дк шк й ж р в 5 о ен 4 а 7 що й бо "кі ук т» й зв п ен в - В Та. і ча ее ш- 10 ра І ка а кн с а ня

ЧИ хв 14 іа в сщши ше и Ша і и 9 /

Мк. хх о КО й наш І ех А і чу 22 Со

Ен, и 19. І дк Се

Ж 23 у з. а!

Фиг. 5 рай

А аа ре й ит, й дн ий о я й я ле аа й й я аа ях 90 и Кия

І рак я. ч аа Ку й ра Ж ж ит й й ик бро ик з й я ше ни й песо

З но ра Шен їде пень скін тн й се ИН диван щі за , су Ясний Ще 7

К; Я ї гетудтеносяте. : й я їК-Я Я -

Ь М Як Е, - ч 5 пори Я - Е Гр гуни Я сен св Х й 0 тв. Б вн ке ! " З І с . (5 У ях Е з ! котра у Пк ее де С ше те І і й рю Й хі й ї в т з й ; що

ОД ДАТИ ра -Е і с: З Є!

Фиг. 6 . Ж т з !

КІ ше і ! ке й ) зо шк ди :

Шк НИ і

ВІ й ' їх -К, :

Фиг. й х БА то я як ше і огефєтсестстто М пе о

СЕРЕ я в о МИ во Біокоотьн

Шу пен С 4 зах Ф які ВОНА я о. Ко СОМ 1 ЕЩ-- й

Акне З не

НВ ще 1-я вон КО но о НИ: ок ви кет кі и стае и ес «ЕВ сх ВИЩ Ше ссттх Я с В І 4 М Не ие -

ВЕК коси ше вза 0 й щі зу еУ пек З в в Си аві. ї-

Ме М В - в МОСТІ й ножу

Фиг. 8

КИ г ве у ще ун

Й ефе щи в ев СЕУ ч т ти расвшні 001 одн ЗХ ав В є;

Е Е 51 Я

Фиг. У

Claims (21)

1. Монньій источник с закрьтьм дрейфом злектронов, содержащий главньй кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал, задний конец которого, открьт, по меньшей мере один польйй компенсационньй катод, расположенньій снаружи главного кольцевого канала, средства для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, которье приспособленьй для создания в указанном канале существенно радиального магнитного поля, имеющего градиент с максимальной индукцией на заднем конце канала, первое средство подачи ионизируемого газа, соединенное с польпм катодом, и второе средство подачи ионизируемого газа, расположенное перед главньм кольцевьмм каналом, и средства для поляризации, і взаймодействующие с анодом, отличающийся тем, что главньй кольцевой канал ионного источника вьіполнен из злектропроводящего материала и содержит стенку, контактирующую с плазмой разряда между анодом и катодом, а источник содержит защитнье кольца, доведеннье до потенциала, величина которого меньше величиньі! потенциала анода, служат продолжениеєм кольцевого канала на его вьїходе, причем зти защитнье кольца предохраняют центральньй и периферийньй полюснье башмаки, входящие в состав указанньїх средств для создания магнитного поля и ограничивающие воздушньй зазор, в котором радиальное магнитное поле действуеєет с максимальной индукцией.

2. Монньій источник по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть главного кольцевого канала злектрически поляризована поляризационньіми средствами, с возможностью непосредственного формирования анода, по меньшей мере одной частью внутренней стенки главного кольцевого канала.

3. ИЙИонньій источник по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что главньйй кольцевой канал изолирован злектрически и термически с помощью вакуума относительно злементов остальной части ионного источника, включающей злектростатические зкрань, при зтом пространство между главньм кольцевьм каналом и злементами остальной части ионного источника находится в пределах от 1 до 5мм.

4. Йонньй источник по п. 2, отличающийся тем, что главньійй кольцевой ионизирующий и ускоряющий каналь! являются моноблочнь!м узлом, которьй состоит из злектропроводящего материала.

5. Йонньій источник по п. З, отличающийся тем, что главньй кольцевой канал образуеєт блок главного кольцевого канала, которьій закрьт в своей передней части успокоительной камерой, в которую подается плазмообразующий газ с помощью указанного второго средства подачи газа, включающего кольцевой распределитель, соединенньй с подводящим трубопроводом.

б. Ионньій источник по п. 4, отличающийся тем, что средства для создания магнитного поля содержат магнитную цепь, состоящую из корпуса, на котором закреплен блок главного кольцевого канала, при зтом указанньй корпус содержит осевой сердечник, на котором установленьї нижний центральньйй полюсной башмак и верхний центральньійй полюсной башмак, расположеннье концентрично относительно блока главного кольцевого канала, при зтом указанньй корпус содержит дополнительно множество тяг, расположенньіх вокруг блока кольцевого канала после его установки на корпус и поддерживающих верхний периферийньй полюсньй башмак, при зтом верхний центральньй и верхний периферийньійй полюснье башмаки являются указанньми полюсньіми башмаками, ограничивающими воздушньй зазор, в котором радиальное магнитное поле действуєет с максимальной индукцией, при зтом защитнье кольца защищают полюснье башмаки от ионной зрозии плазмьі!.

7. Ионньй источник по п. 6, отличающийся тем, что сьемньй блок; кольцевого канала закреплен на магнитном корпусе при помощи множества колонок, вьіполненньіїх из термоизоляционного материала и удерживаємьїхх на месте сьемньїми изоляторами.

8. Ионньій источник по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что защитнье кольца, расположеннье у вьіходного отверстия главного кольцевого канала, вьіполненьї сьемньми.

9. МИонньій источник по п.б6, отличающийся тем, что защитнье кольца изготовленьі из одного из следующих проводниковьїх материалов, таких как углерод, композиционньй материал углерод-углерод, сплав никеля, благородньій металл, керамический композиционньій материал, состоящий из нитридов, связанньїх кремнием, кремний, нержавеющая сталь, алюминий.

10. Монньй источник по п. б, отличающийся тем, что защитнье кольца изготовленьь из следующих изоляционньїх материалов, таких как нитрид бора, кварц, глинозем.

11. Ионньй источник по п. 4, отличающийся тем, что блок главного кольцевого канала изготовлен из одного из следующих проводниковьїх материалов, таких как огнеупорньій никелевьй сплав, молибден, композиционньй материал углерод-углерод.

12. Монньій источник по п. 3, отличающийся тем, что внутренние стенки блока кольцевого канала покрьть! каким-либо благородньмм металлом, таким как платина, золото или родий, для устранения повреждения в результате химического воздействия газов, находящихся в указанном канале.

13. Ионньй источник по п. 5, отличающийся тем, что средства для создания магнитного поля дополнительно содержат индукционнье катушки или же постоянньсе магнитьї, установленньсе в магнитной цепи.

14. Ионньй источник по п. 5, отличающийся тем, что индукционнье катушки установлень на анкерньх болтах.

15. Ионньій источник по п. 14, отличающийся тем, что кольцеобразная катушка, снабженная кольцевьм магнитньїм зкраном, установлена охватьвающей осевой сердечник.

16. Ионньїй источник по п. 1, отличающийся тем, что стенка главного кольцевого канала, контактирующая с плазмой разряда, вьіполнена из злектропроводящего материала и злектрически изолирована от остальной части злементов конструкции источника, включая анод.

17. МИонньій источник по п. 16, отличающийся тем, что защитнье кольца вьіполненьї из дизлектрического материала, частично покриівающего главньй кольцевой канал.

18. Ионньй источник по п. 17, отличающийся тем, что указанньєе защитньсе кольца изготовлень! в виде вставок из керамического материала, которье крепятся с помощью опор на полюсньїх башмаках.

19. Ионньй источник по п. 18, отличающийся тем, что злектропроводящая стенка определяет в радиальном направлений ширину кольцевого канала, превьішающую ширину кольцевого канала в радиальном направлений на уровне защитньмх колец.

20. Ионньій источник по любому из пп. 16-19, отличающийся тем, что части большего диаметра и меньшего диаметра злектропроводящей стенки кольцевого канала злектрически соединеньй между собой злектропроводящим основанием, образующим вместе с указанньми частями злектропроводящей стенки моноблочньїй узел, причем зтот моноблочньій узел имеет плавающий потенциал, величина которого немного меньше величинь потенциала анода.

21. Монньій источник по п. 20, отличающийся тем, что части большего диаметра и меньшего диаметра злектропроводящей стенки кольцевого канала соединеньії с злектропроводящим основаниеєм по радиусам с кривизной, обеспечивающей образование гладкой поверхности.