RU2003196C1 - Установка дл генерировани ионного пучка большого сечени - Google Patents

Abstract

Использование: дл  комплексной вакуумно- плазменной обработки инструмента, деталей машин и иных изделий. Сущность изобретени  катод установки дл  генерировани  ионного пучка выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумно- дугового разр да Между анодом и катодом установлена непроницаема  дл  ионов, но проницаема  дл  электронов перегородка, раздел юща  разр дную полость камеры на анодную и катодную части. Анодна  часть сообщаетс  с рабочей полостью через эмиссионную сетку. В цепи источника питани  газового разр да установлено токовое реле , исполнительный орган которого расположен в цепи источников ускор ющего напр жени  и питани  сетки, 8 рабочей полости камеры, оппозитно катоду, установлен дополнительный электрод электрически изолированный от камеры. Анод газового разр да и дополнительный электрод соединены с двухполюсным ключом с возможностью их поочередного подключени  к положительному полюсу источника газового разр да При этом перегородка и сетка установлены с возможностью перемещени  в направлении стенок разр дной полости камеры Установка может быть снабжена средством синхронизации перемещени  перегородки и сетки с подключением к источнику дополнительного катода или анода газового разр да. Анод может быть выполнен в виде полого цилиндра , кольца, электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного в зоне катодной части разр дной полости, или пластины, расположенной вдоль оси симметрии катодной части разр дной полости со смещением в сторону ограничивающей указанную полость стенки камеры Предусмотрены различные конструктивные варианты исполнени  перегородки. Данное конструктивное выполнение установки позвол ет осуществить комплексную высококачественную обработку изделий в одной установке При открытой перегородке и отодвинутой сетке осуществл етс  нанесение покрытий на изделие При закрытых перегородке и сетке осуществл етс  очистка поверхности, преимущественно диэлектриков, ионным пучком, а также нагрев изделий При закрытой перегородке и отодвинутой сетке осуществл етс  ионна  очистка, нагрев , и химико-термическа  обработка изделий. В первом случае с положительным полюсом источника газового разр да соединен дополнительный электрод во втором - анод, в третьем - дополнительный электрод 9 зпф-лы. 1 иа MS с

Description

Изобретение относитс  к технике получени  сильноточных ионных пучков большого сечени .

В насто щее врем  широкое распространение дл  технологических целей получили ионные источники Кауфмана. В них электроны эмиттируютс  накал емым катодом , расположенным на оси цилиндрической разр дной камеры, помещаемой в слабое продольное магнитное поле. Анодом служит часть цилиндра. Электроды движутс  в скрещенных магнитном и электрическом пол х по спиральным траектори м вокруг оси, в результате увеличиваетс  длина их пробега и веро тность ионизации рабочего газа. Ионы выт гиваютс , ускор ютс  и фокусируютс  двух или трех- электродной ионно-оптической системой. Существенным недостатком источников Кауфмана  вл етс  относительно небольшой срок службы накаливаемых катодов (несколько дес тков часов).

Известна установка дл  генерировани  ионного пучка большого сечени  на основе тлеющего разр да с холодным полым катодом . Установка содержит камеру, внутри которой П-образные полые катоды образуют разр дную полость. Сквозь отверстие в полом катоде в разр дную полость проходит анод. Все катоды изолированы друг от друга и соединены с регулируемым источником разр дного напр жени  через отдельные резисторы, что предотвращает переход разр да в дугу. Эмиссионна  сетка с высокой прозрачностью (70-90%) изолирована от разр дной полости и рабочей полости вакуумной камеры, установка имеет источник электропитани  газового разр да, из плазмы которого извлекаютс  ионы, источник напр жени , подключенный отрицательным по/иосом к эмиссионной сетке и отсекающий ток электронов из синтезированной плазмы через сетку в полость разр дной камеры, и источник ускор ющего напр жени , ускор ющий ионы.

8 установке с площадью эмиссионной сетки 1000 см2 величина ионного тока составл ет 1 А.

Таким образом, плотность ионного тока составл ет 1 мА/см2.

Увеличение плотности ионного тока может быть достигнуто за счет разветвлени  поверхности катода, что усложн ет конструкцию .

Цель изобретени  - повышение плотности ионного тока при расширении эксплуатационных возможностей и повышении производительности.

Поставленна  цель достигаетс  за счет того, что установка дл генерировани  ионного пучка большого сечени , содержаща  вакуумную камеру с сообщающимис  между собой через эмиссионную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и

разр дной полост ми, в последней из которых установлены катод и анод газового разр да , а также источник электропитани  газового разр да, подключенный к электродам , источник ускор ющего напр жени  и

0 питани  сетки, отрицательные полюса которых соединены, соответственно, с рабочей полостью и сеткой, снабжена дополнительным электродом и управл емым двухполюсным ключом, катод выполнен в виде

5 интегрально-холодного катода вакуумно-ду- гового разр да, между катодом и анодом установлена оптически непрозрачна , проницаема  дл  электронов, перегородка, раздел юща  разр дную полость на катод0 ную и анодную части. С рабочей полостью вакуумной камеры через эмиссионную сетку сообщаетс  анодна  часть разр дной полости . В цепи источника питани  газового разр да установлено токовое реле,

5 исполнительный орган которого расположен в цепи источников ускор ющего напр жени  и питани  сетки, при этом перегородка и сетка установлены с возможностью перемещени  в направлении, по

0 меньшей мере, одной из стенок разр дной полости камеры, дополнительный электрод установлен оппозитно катоду в рабочей полости камеры и электрически изолирован от последней, а анод газового разр да и допол5 нительный электрод посредством двухполюсного ключа электрически св заны с положительным полюсом источника газового разр да с возможностью поочередного их подключени  к указанному источнику.

0 Кроме того, установка может быть снабжена средством обеспечивающим синхронизацию перемещени  перегородки и сетки в соответствующем направлении с подключением дополнительного электрода или

5 анода к источнику электропитани  вакуум- но-дугового разр да.

Помимо этого, анод газового разр да может быть выполнен в виде полого цилиндра , кольца, электрически изолированного

0 кольцевого участка стенки камеры, расположенного между сеткой и катодом, пластины, расположенной эксцентрично относительно оси симметрии разр дной полости.

Перегородка может быть выполнена в

5 виде шеерона. жалюзи, двух поворотных створок, расположенных со взаимным перекрытием и смещенных одна относительно другой вдоль оси симметрии разр дной полости , лепестковой диафрагмы, лепестки ко- торой в зоне взаимного перекрыти 

расположены с зазором вдоль оси симметрии разр дной полости камеры.

Реализаци  поставленной цели (в части повышени  плотности ионного тока) достигаетс  за счет использовани  дл  создани  плазмы, из которой генерируютс  ионы более сильноточного вакуумно-дугового разр да , от величины которого зависит степень ионизации плазмы, а, следовательно и извлекаемый из нее ионный ток не зависит от геометрических размеров катода, а только определ етс  его теплофизическими свойствами . Не составл ет труда получение разр дных токов в дес тки мА/см .

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

Установка содержит вакуумную камеру в разр дной полости 1 которой размещены интегрально-холодный катод 2 вакуумно-дугового разр да и напротив его анод 3. Вблизи катода 2 установлена непроницаема  дл  ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаема  дл  электронов перегородка 4, котора  делит разр дную полость 1 на катодную 5 и анодную 6 части. Разр дна  полость 1 изолирована от рабочей полости 7 вакуумной камеры изол торами 8.

Между анодной частью 6 разр дной полости 1 и рабочей полостью 7 вакуумной камеры установлена сетка 9 на изол торах 10.

Электропитание установки производитс  от источника 11 электропитани  вэкуум- но-дугового разр да, источника 12 ускор ющего напр жени  (электропитани  камеры), источника 13 напр жени  (электропитани  сетки 9). В цепи электропитани  вакуумно-дугового разр да установлено токовое реле 14, исполнительный орган 15 которого (нормально открытые контакты) включен в цепь электропитани  сетки 9 и в цепь ускор ющего напр жени .

Перегородка 4 и сетка 9 установлены с возможностью перемещени  в направлении , по меньшей мере, одной из стенок разр дной полости камеры. Кроме того, установка снабжена дополнительным электродом 16 и управл емым двухполюсным ключом 17. Дополнительный электрод 16ус- тановлен напротив катода в рабочей полости 7 камеры и электрически изолирован от последней. Анод 3 электро-дугового разр да и электрод 16 посредством двухполюсного ключа 17 электрически соединены с положительным полюсом источника 11 электропитани  разр да с возможностью поочередного их подключени  к указанному источнику.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

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. Вакуумна  камера системой откачки откачиваетс  до давлени  Па и затем в нее производитс  напуск рабочего газа (например аргона) до давлени  Па. С помощью системы под- жига между катодом 2 и анодом 3 в разр дной полости 1 возбуждаетс  двухступенчатый вакуумно-дуговой разр д (ДВДР). Разр д формируетс  с помощью непроницаемой дл  ионов металла, генерируемых с поверхности катода, перегородки 4. Катодна  часть 5 разр дной полости 1 заполнена металлогазовой плазмой. Ионы металла генерируютс  в катодном п тне дуги и распростран ютс  с поверхности катода по пр молинейным траектори м.

Поскольку перегородка 4 непроницаема дл  ионов металла, то ионы металла задерживаютс  ею и в анодную часть б разр дной полости 1 не попадают.

Анодна  часть б разр дной полости заполнена положительным столбом чисто газовой плазмы, образуемой электронами, проход щими через перегородку под воздействием электрического пол  анода 3. При возникновении разр дного тока в цепи катода 2 и анода 3 срабатывает токовое реле 14, которое своим исполнительным органом 15 (нормально-открытые контакты) включает источник 12 ускор ющего напр жени  и источник 13 напр жени .

Така  последовательность включени  источников напр жени  (сначала включаетс  источник 11 электропитани , а только после возбуждени  разр да - источники 12 и 13) обусловлена необходимостью возбуждени  разр да.

Напр жение на сетке выбираетс  из услови  необходимой энергии ионов, создани  границы газовой плазмы, с поверхности которой происходит ускорение ионов, не выход щей за пределы сетки.

Первое условие задаетс  технологическими требовани ми; второе определ етс  из услови 

,34

ж

1 ,2еМ УО

( где d - ширина сло  ионного объемного зар да отдел ющего коллектор ионов (сетку) от границы плазмы;

h - характерный размер сетки (рассто ние между соседними элементами сетки);

М - мзсса иоиэ;

Uo напр жение между плазмой и сеткой:

j плотность тока положительных ионов на сетку.

Под воздействием отрицательного потенциала относительно положительного столба плазмы газового разр да положительные ионы плазмы ускор ютс  в слое объемного зар да. Часть ионного потока осаждаетс  на сетке 9, а часть (примерно пропорциональна  коэффициенту прозрачности сетки) пролетает сквозь сетку 9 и производит обработку изделий, размещенных в рабочей полости 7 вакуумной камеры. Нейтрализаци  объемного зар да ионов производитс  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 объеме полости 7, преп тствующий уходу электронов из объема полости 7 в анодную часть 6 разр да.

экспериментально показано, что величина ионного тока, извлекаемого из положительного столба газовой плазмы ДВДР на всю площадь коллектора ионов SK (площадь коллектора ионов - вс  площадь анодной части 5 разр дной полости, включа  площадь анода 3, сетки 9(Sc) и перегородки 4), Учитыва  коэффициент прозрачности сетки величина ионного тока

I 0.25 }Р | . OK

Поскольку в ДВДР ток разр да определ етс  только теплофизическими свойствами охлаждаемого катода, то ионный ток в устройстве ограничиваетс  в основном тепловыми возможност ми сетки.

Работоспособность установки определ лась следующим образом. В вакуумной камере установки устанавливалась на верхнем фланце, на котором установлен катод из алюмини , перегородка 4 в виде шеврона. Испаритель (катод 2} устанавливалс  на резиновой прокладке, котора  исполн ла роль герметизатора и уплотнител  одновременно . Иг нижнем фланце камеры устанавливалс  водоохлаждаемый медный анод диаметром 90 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). Разр д запитывалс  от источника питани . Напр жение на разр де 42 В при токе

разр да 40 А. Напр жение источника питани  13 составл ло 500 В. Суммарна  сила тока в секци х сетки 3.1 А.

Сила ионного тока замеренна  в цепи источника 13 составл ла 2,9 А. При площади

сетки 1000 см плотность ионного тока составл ет 2,9 мА/см , что в 2,9 раза выше, чем в устройстве, вз том в качестве прототипа . Преп тствием к дальнейшему повышению ионного тока, извлекаемого из

источника  вл етс  ограниченность мощности , примененного дл  этих целей источника питани  13. Эксперимент показал, что увеличение тока разр да 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 осуществл етс  ионна  очистка, на грев и химико-термическа обработкаизделий (двухполюсный ключ в положении А). При открытой перегородке и отодвинутой сетке осуществл етс  нанесение покрытий на издели  (двухполюсный ключ в положении А).

Таким образом, эксплуатаци  установки на трех режимах работы расшир ют ее эксплуатационные функции и повышают производительность комплексной обработки изделий.

(56) Габоаич М.Д. и др. Пучки ионов и этомов дл  управл емого термо дерного синтеза и

технологических целей, М., Энергоатомиз- дат, 1986, с.135-136.

Метель А.С. Источники пучков зар женных частиц большого сечени  на основе тлеющего разр да с холодным полым катодом.

Сб. Плазменна  эмиссионна  электроника . Тезисы докладов, Первое Всесоюзное совещание по плазменной эмиссионной электронике. У| зн-Удэ. Бур тский институт естественных наук СО АН СССР, июнь 1991,

с 77-81, рис 2.

9200319610

Claims (1)

1. Формула изобретени можность их поочередного подключени  к

   1 УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВА- указанному источнику.

   НИЯ ИОННОГО ПУЧКА БОЛЬШОГО СЕЧЕ-2 Установка по п.1, отличающа с  тем,

   НИЯ содержаща  вакуумную камеру с со- что она снабжена средством, обеспечивэ- общающимис  между собой через эмисси- 5 синхронизацию перемещени  пере- оннуюсеткуиэлектрически городки и сетки в соответствующем

   изолированными от нее рабочей и разр д- направлении с подключением дополни- ной полост ми, в последней из которых ус- тельного электрода или анода к источнику тановлены катод и анод газового разр да, электропитани  вакуумно-дугового разр - источник электропитани  газового разр - да.

   да, подключенный к электродам, источник3. Установка по лп.1 и 2, отличающа с 

   ускор ющего напр жени , отрицательный тем, что анод выполнен в виде полого ци- полюс которого подключен к стенке рабо- линдра,

   чей полости, и источник напр жени , отри-4. Установка по пп.1 и 2, отличающа с 

   цательный полюс которого подключен к тем, что анод выполнен в виде кольца, эмиссионной сетке, отличающа с  тем, что5 установка по пп.1 и 2, отличающа с 

   она снабжена дополнительным электродом тем что анод выпол„ен в виде электриче- и управл емым двухполюсным ключом, ка- ски изолированного кольцевого участка тод выполнен в виде интегрально-холодно- стенки KaMepbli расположенного между го катода вакуумно-дугового разр да, сеткой и катодом, между катодом и анодом установлена пе-- ч,

   регородка, не проницаема  дл  ионов ме-6 у новка по пп.1 и 2, отличающа с 

   талла, генерируемых с поверхности катода, тем что анод вы °лнен в виДе пластины, но проницаема  дл  электронов, раэдел - 9, Расположенной эксцентрично относитель- юща  разр дную полость на катодную и 25 но оси симметрии разр дной полости ка- анодную части, при этом через эмиссион- меРыную сетку с рабочей полостью вакуумной7- Установка по ппЛ - б, отличающа с 

   камеры сообщена анодна  часть разр д- тем- что перегородка выполнена в виде ной полости, в цепи электропитани  ваку- зо

   умно-дугового разр да установлено8. Установка по пп.1 - 6, отличающа с 

   токовое реле, исполнительный орган кото- тем, что перегородка выполнена в виде жа- рого включен в цепь электропитани  эмис- люзи.

   сионной сетки и в цепь ускор ющего9. Установка по пп. Т - 6, отличающа с 

   напр жени , причем перегородка и эмис- 35 тем, что перегородка выполнена в виде сионна  сетка установлены с возможно- двух поворотных створок, расположенных стью перемещени  по направлению пос взаимным перекрытием и смещенных одменьшей мере к одной из стенок разр д- на относительно другой вдоль оси симмет- ной полости камеры, а дополнительный рии разр дной полости камеры, электрод установлен напротив катода в ра- 40 10 установка по пп -, . 6 отличающа - бочей полости камеры и электрически изо- тем что перегородка выполнена в виде лирован от нее. анод и дополнительный лепестко8ой диафрагмы, лепестки которой электрод электрически соединены с поло- в зоне вэаимного „ерекрыти  расположе- жительным полюсом источника электропи- ны с зазором вдо ь оси симметрии разр д- тани  вакуумно-дугового разр да через 45 мой полости камеры двухполюсный ключ, обеспечивающий возI

   15