Установка для генерирования ионного пучка большого сечения

 

Использование: для комплексной вакуумноплазменной обработки инструмента, деталей машин и иных изделий. Сущность изобретения катод установки для генерирования ионного пучка выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумнодугового разряда Между анодом и катодом установлена непроницаемая для ионов, но проницаемая для электронов перегородка, разделяющая разрядную полость камеры на анодную и катодную части. Анодная часть сообщается с рабочей полостью через эмиссионную сетку. В цепи источника питания газового разряда установлено токовое реле , исполнительный орган которого расположен в цепи источников ускоряющего напряжения и питания сетки, 8 рабочей полости камеры, оппозитно катоду, установлен дополнительный электрод электрически изолированный от камеры. Анод газового разряда и дополнительный электрод соединены с двухполюсным ключом с возможностью их поочередного подключения к положительному полюсу источника газового разряда При этом перегородка и сетка установлены с возможностью перемещения в направлении стенок разрядной полости камеры Установка может быть снабжена средством синхронизации перемещения перегородки и сетки с подключением к источнику дополнительного катода или анода газового разряда. Анод может быть выполнен в виде полого цилиндра , кольца, электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного в зоне катодной части разрядной полости, или пластины, расположенной вдоль оси симметрии катодной части разрядной полости со смещением в сторону ограничивающей указанную полость стенки камеры Предусмотрены различные конструктивные варианты исполнения перегородки. Данное конструктивное выполнение установки позволяет осуществить комплексную высококачественную обработку изделий в одной установке При открытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется нанесение покрытий на изделие При закрытых перегородке и сетке осуществляется очистка поверхности, преимущественно диэлектриков, ионным пучком, а также нагрев изделий При закрытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется ионная очистка, нагрев , и химико-термическая обработка изделий. В первом случае с положительным полюсом источника газового разряда соединен дополнительный электрод во втором - анод, в третьем - дополнительный электрод 9 зпф-лы. 1 иа MS с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5008181/25 (22) 11.11.91 (46) 15.1193 Бюл. Йю 41-42 (71) Научно-производственное предприятие "H0BATEX" (73) Научно-производственное предприятие."H0BATEX" (54) УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА БОПЬ030ГО СЕЧЕНИЯ (57) Использование: для комплексной вакуумноплазменной обработки инструмента, деталей машин и иных изделий. Сущность изобретения: катод установки дпя генерирования ионного пучка выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумнодугового разряда Между анодом и катодом установлена непроницаемая для ионов, но проницаемая дпя электронов перегородка, разделяющая разрядную полость камеры на анодную и катодную части. Анодная часть сообщается с рабочей полостью через эмиссионную сетку. В цепи источника питания газового разряда установлено токовое репе, исполнительный орган которого расположен в цепи источников ускоряющего напряжения и питания сетки. В рабочей полости камеры, оппозитно катоду, установлен дополнительный электрод электрически изолированный от камеры. Анод газового разряда и дополнительный электрод соединены с двухпояюсным ключом с возможностью их поочередного подключения к положительному полюсу источника газового разряда. При этом пере(в) RU (и) 2003196 (I l (5Ц5 НО1Л27 ОЗ городка и сетка установлены с возможностью перемещения в направлении стенок разрядной полости камеры Установка может быть снабжена средством синхронизации перемещения перегородки и сетки с подключейием к источнику допол— нительного катода или анода газового разряда.

Анод может быть выполнен в виде полого цилиндра,кольца, электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного в зоне катодной части разрядной полости, или пластины, расположенной вдоль оси симметрии катодной части разрядной полости со смещением в сторону ограничивающей указанную полость стенки камеры.

Предусмотрены различные конструктивные варианты исполнения перегородки. Данное конструктивное выполнение установки позволяет осуществить комплексную высококачественную обработку изделии в одной установке. При открытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется нанесение покрытий на изделие. При закрытых перегородке и сетке осуществляется очистка поверхности, преимущественно диэлектриков, ионным пучком, а также нагрев изделий. При закрытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется ионная очистка, нагрев, и химико-термическая обработка изделий. В первом случае с положительным полюсом источника газового разряда соединен дополнительный электрод во втором — анод, в третьем — дополнительный электрод 9 злф-лы. 1 ил.

2003196 ющий ток электронов из синтезированной плазмы через сетку в полость разрядной амеры, и источник ускоряющего напряжения, ускоряющий ионы.

В установке с площадью эмиссионной сетки 3000 см величина ионного тока составляет 1 А, Таким образом, плотность ионного тока составляет 1 мА/см2.

Увеличение плотности ионного тока может быть достигнуто за счет разветвления поверхности катода, что усложняет конструкцию.

Цель изобретения — повышение плотности ионного тока при расширении эксплуатационных возможностей и повышении производительности.

Поставленная цель достигается за счет того. что установка для генерирования ион45

Изобретение относится к технике гопучения сильноточных ионных пучков большого сечения.

В настоящее время широкое распространение для технологических целей получили ионные источники Кауфмана. В них электроны эмиттируются нвкаляемым катодом, расположенным на оси цилиндрической разрядной камеры, помещаемой в слабое продольное магнитное поле. Анодом служит часть цилиндра, Электроды движутся в скрещенных магнитном и электрическом полях по спиральным траекториям вокруг оси, в результате увеличивается дли- . на их пробега и вероятность ионизации рабочего газа. Ионы вытягиваются, ускоряются и фокусируются двух или трехэле ктродной ионна-оптической системой.

Существенным недостатком источников Кауфмана является относительно небольшой 20 срок службы накаливаемых катодов (несколько десятков часов), Известна установка для генерирования ионного пучка большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом. Установка содержит камеру, внутри которой П-образные полые катоды образуют разрядную полость, Сквозь отверстие в полом катоде в разрядную полость проходит анод. Все катоды изолированы друг от друга и соединены с регулируемым источником разрядного напряжения через отдельные резисторы, что предотвращает переход разряда в дугу. Эмиссионная сетка с высокой прозрачностью (70-90 Ä) изолирована от 3 -> разрядной полости и рабочей полости вакуумной камеры, установка имеет источник электропитания газового разряда, из плазмы которого извлекаются ионы, источник напряжения, подключенный отрицатель- 40 ным полюсом к эмиссионной сетке и отсеканого пучка большого сечения, содержащая вакуумную камеру с сообщающимися между собой через эмиссионную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разрядной полостями. в последней из которых установлены катод и анод газового разряда, а также источник электропитания газового разряда, подключенный к электродам, источник ускоряющего напряжения и питания сетки, отрицательные полюса которых соединены. соответственно, с рабочей полостью и сеткой, снабжена дополнительным электродом и управляемым двухполюсным ключом, катод выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумно-дугового разряда, между катодом и анодом установлена апти ески непрозрачная, проницаемая для электронов, перегородка, разделяющая разрядную полость на катодную и анодную части. С рабочей полостью вакуумной камеры через эмиссионную сетку сообщается анодная часть разрядной полости. В цепи источника питания газового разряда установлено токовое реле, исполнительный орган которого расположен в цепи источников ускоряющего напряжения и питания сетки, при этом перегородка и сетка установлены с возможностью перемещения внаправлении,,по меньшей мере, одной из стенок разрядной полости камеры, дополнительный электрод установлен оппозитно катоду в рабочей полости камеры и электрически изолирован от последней, а анод газового раз ряда и дополнительный электрод посредством двухполюсного ключа электрически связаны с положительным полюсом источника газового разряда с возможностью поочередного их подключения к указанному источнику.

Кроме того, установка может быть снабжена средством обеспечивающим синхронизацию перемещения перегородки и сетки в соответствующем направлении с подключением дополнительного электрода или анода к источнику электропитания вакуумно-дугового разряда.

Помимо этого, анод газового разряда может быть выполнен в виде полого цилиндра, кольца, электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного между сеткой и катодом, пластины, расположенной эксцентрично относительно оси симметрии разрядной полости.

Перегородка может быть выполнена в виде шеврона, жалюзи, двух поворотных створок, расположенных со взаимным перекрытием и смещенных одна относительно другой вдоль оси симметрии разрядной полости;лепестковой диафрагмы, лепестки которой в зоне взаимного перекрытия

2003196 расположены с зазором вдоль оси симметрии разрядной полости камеры.

Реализация поставленной цели (в части повышения плотности ионного тока) достигается за счет использования для создания плазмы, из которой генерируются ионы более сильноточного вакуумно-дугового разряда, от величины которого зависит степень ионизации плазмы, а, следовательно и извлекаемый из нее ионный ток не зависит от геометрических размеров катода, а только определяется его теплофизическими свойствами. Не составляет труда получение разрядных токов в десятки мА/см2.

На чертеже показана принципиальная схема установки с подвижными (сдвигаемыми) перегородкой и сеткой.

Установка содержит вакуумную камеру в разрядной полости 1 которой размещены интегрально-холодный катод 2 вакуумно-дугового разряда и напротив его анод 3, Вблизи катода 2 установлена непроницаемая для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов перегородка 4, которая делит разрядную полость 1 на катодную 5 и энодную 6 части.

Разрядная полость 1 изолирована от рабочей полости 7 вакуумной камеры изоляторами В.

Между анодной частью 6 разрядной полости 1 и рабочей полостью 7 вакуумной камеры установлена сетка 9 на изоляторах

10, Электропитание установки производится от источника 11 электропитания вакуумно-дугового разряда, источника 12 ускоряющего напряжения (электропитания камеры), источника 13 напряжения (электропитания сетки 9). В цепи электропитания вакуумно-дугового разряда установлено токовое реле 14, исполнительный орган 15 которого (нормальна открытые контакты) включен в цепь электропитания сетки 9 и в цепь ускоряющего напряжения.

Перегородка 4 и сетка 9 установлены с возможностью перемещения в направлении, по меньшей мере, одной из стенок разрядной полости камеры. Кроме того. установка снабжена дополнительным электродом 16 и управляемым двухполюсным ключом 17, Дополнительный электрод 16установлен напротив катода в рабочей полости 7 камеры и электрически изолирован от последней. Анод 3 электро-дугового разряда и электрод 16 посредством двухполюсного ключа 17 электрически соединены с положительным полюсом источника 11 электропитания разряда с воэможностью поочередного их падклю«ения v. указанному источнику.

Работает установка при выдвинутых сетке и перегородке и при подаче положительного потенциала от источника 11 на анод 3 (двухполюсный ключ в положении

"В") следующим образом, Вакуумная камера системой откачки откачивается до давления 10 Па и затем в нее производится напуск рабочего газа (например аргона) до давления 10 Па. С помощью системы под-1 жига между катодом 2 и анодом 3 в разрядной полости 1 возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР). Разряд формируется с помощью непроницаемой для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, перегородки 4.

Катодная часть 5 разрядной полости 1 заполнена металлогаэовой плазмой. Ионы металла генерируются в катодном пятне дуги и распространяются с поверхности катода по прямолинейным траекториям.

Поскольку перегородка 4 непроницаема для ионов металла, то ионы металла задер>киваются ею и в анодную часть 6 разрядной полости 1 не попадают.

Анодная часть 6 разрядной полости заполнена положительным столбом чисто газовой плазмы. образуемой электронами, проходящими через перегородку под воздействием электрического поля анода 3, При возникновении разрядного тока в цепи катода 2 и анода 3 срабатывает токовое реле

14, которое своим исполнительным органом

15 (нормально-открытые контакты) включает источник 12 ускоряющего напряжения и источник 13 напряжения.

Такая последовательность включения источников напряжения (сначала включается источник 11 электропитания, а только после возбуждения разряда — источники 12 и

13) обусловлена необходимостью возбуждения разряда, Напряжение на сетке выбирается из условия необходимой энергии ионов, создания границы газовой плазмы, с поверхности которой происходит ускорение ионов, не выходящей за пределы сетки.

Первое условие задается технологическими требованиями; второе определяется из условия

3 4

2 (9,г) M где б — ширина слоя ионного обьемного заряда. отделяющего коллектор ионов (сетку) от границы плазмы;

h — характерный размер сетки (расстояние между соседними элементами сетки);

M — масса иона;

Оо — напряжение между плазмой и сеткой:

2003196

10

20

35

j — плотность тока положительных ионов на сетку.

Под воздействием отрицательного потенциала относительно положительного столба плазмы газового разряда положительные ионы плазмы ускоряются в слое объемного заряда. Часть ионного потока осаждается на сетке 9, а часть (примерно пропорциональная коэффициенту прозрачности сетки) пролетает сквозь сетку 9 и производит обработку изделий, размещенных в рабочей полости 7 вакуумной камеры. Нейтрализация объемного заряда ионов производится вторичными электронами, образуемыми при бомбардировке изделий и стенок камеры ускоренными ионами. Источник 14 создает двойной слой в рабочей полости 7 вакуумной камеры между сеткой и вторичной плазмой в обьеме полости 7, препятствующий уходу электронов из объема полости 7 в анодную часть 6 разряда.

Было экспериментально показано, что величина ионного тока, извлекаемого из положительного столба газовой плазмы ДВДР на всю площадь коллектора ионов SK (nnoщадь коллектора ионов — вся площадь анодной части 5 разрядной полости, включая площадь анода 3, сетки 9(Яс) и перегородки

4). Учитывая коэффициент прозрачности сетки величина ионного тока

I =0,25fp

Sc к

Поскольку в ДВДР ток разряда определяется только теплофизическими свойствами охлаждаемого катода, то ионный ток в устройстве ограничивается в основном тепловыми возможностями сетки.

Работоспособность установки определялас ь следующим образом. В вакуумной камере установки устанавливалась на верхнем фланце, на котором установлен катод из алюминия. перегородка 4 в виде шеврона.

Испаритель (катод- 2) устанавливался на резиновой прокладке, которая исполняла роль герметизатора и уплотнителя одновременна. На нижнем фланце камеры устанавливался водоохлаждаемый медный анод дйаметром90 мм, Через всю камеру от верхнего до нижнего фланца устанавливалась сетка из 4-х изолированных друг от друга секций диаметром 100 мм и общей длиной

320 мм. (Коэффициент прозрачности сетки

0,5). Разряд запитывался от источника питания. Напряжение на разряде 42 В при токе разряда 40 А. Напряжение источника питания 13 составляло 500 В. Суммарная сила тока в секциях сетки 3,1 А.

Сила ионного тока эамеренная в цепи источника 13 составляла 2,9 А, При площади сетки 1000 см плотность ионного тока со2 ставляет 2,9 мА/см, что в 2,9 раза выше, 2 чем в устройстве. взятом в качестве прототипа, Препятствием к дальнейшему повышению ионного тока, извлекаемого из источника является ограниченность мощности, примененного для этих целей источника питания 13. Эксперимент показал, что увеличение тока разряда ведет к пропорциональному увеличению ионного тока.

В данном режиме работы на установке производилась очистка поверхности, преимущественно диэлектриков, ионным пучком, а также нагрев изделий. При закрытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется ионная очистка, нагрев и химико-термическая обработка . изделий (двухполюсный ключ в положении А). При открытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется нанесение покрытий на изделия (двухполюсный ключ в положении А).

Таким образом, эксплуатация установки на трех режимах работы расширяют ее эксплуатационные функции и повышают производительность комплексной обработки изделий, (56) Габович М.Д, и др. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей, М., Энергоатомиздат, 1986. с.135-136.

Метель А.С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом, Сб, "Плазменная эмиссионная электроника". Тезисы докладов, Aepsoe Всесоюзное совещание по плазменной эмиссионной электронике. Yi ан-Удэ. Бурятский институт естественных наук СО АН; июнь 1991, с.77 — 81, рис.2.

2003196

Формула изобретения

1..УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА БОЛЪШОГО СЕЧЕНИЯ, содержащая вакуумную камеру с сообщающимися между собой через змисси- 5 онную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разрядной полостями, в последней из которых установлены катод и анод газового разряда, источник электропитания газового разря- 10 да, подключенный к электродам, источник ускоряющего напряжения, отрицательный полюс которого подключен к стенке рабочей полости, и источник напряжения, отрицательный полюс которого подключен к эмиссионной сетке, втличэющаяся тем, что онэ снабжена дополнительным электродом и управляемым двухполюсным ключом, катод выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумно-дугового разряда, между катодом и анодом установлена перегородка, не проницэемая для ионов ме- талла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов, раэделя- 25 ющая разрядную полость на катодную и анодную части, при этом через эмиссионную сетку с рабочей полостью вакуумной камеры сообщена энодная часть разрядной полости, в цепи электропитания ваку- 30 умно-дугового разряда установлено токовое реле, исполнительный орган которого включен в цепь электропитания эмиссионной сетки и в цепь ускоряющего напряжения, ричем перегородка и эмис- 35 сионная сетка установлены с возможностью перемещения по направлению по меньшей мере к одной из стенок разрядной полости камеры. а дополнительный электрод установлен напротив катода в ра- 40 бочей полости камеры и электрически изолирован от нее. анод и дополнительный электрод электрически соединены с положительным полюсом источника электропитания вакуумно-дугового разряда через "5 двухполюсный ключ, обеспечивающий возможность их поочередного подключения к указанному источнику.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена средством, обеспечивающим синхронизацию перемещения перегородки и сетки в соответствующем направлении с подключением дополнительного электрода или анода к источнику электропитания вакуумно-дугового разряда.

3. Установка по пп,1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде полого цилиндра.

4. Установка по пп,1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде кольца.

5. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного между сеткой и катодом.

6. Установка по пп,1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде пластины, расположенной эксцентрично относительно оси симметрии разряднои полости камеры.

7. Установка по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде шев рана, 8. Установка по пп.1- 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде жалюзи.

9. Установка по пп.1- 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде двух поворотных створок. расположенных с взаимным перекрытием и смещенных одна относительно другой вдоль оси симметрии разрядной полости камеры, 10. Установка по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде лепестковой диафрагмы, лепестки которой в зоне взаимного перекрытия расположены е, зазором вдоль оси симметрии разрядной полости камеры.

2003196

Составитель С.Григорьев

Техред M.Mîðãåí Tçë Корректор О.Кравцова

Редактор Н.Семенова

Тираж . Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3236

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101