[go: up one dir, main page]

RU2338294C1 - Wide-angle gaseous ion source - Google Patents

Wide-angle gaseous ion source Download PDF

Info

Publication number
RU2338294C1
RU2338294C1 RU2007105467/28A RU2007105467A RU2338294C1 RU 2338294 C1 RU2338294 C1 RU 2338294C1 RU 2007105467/28 A RU2007105467/28 A RU 2007105467/28A RU 2007105467 A RU2007105467 A RU 2007105467A RU 2338294 C1 RU2338294 C1 RU 2338294C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel
annular
ion source
wide
anode
Prior art date
Application number
RU2007105467/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Петрович Сергеев (RU)
Виктор Петрович Сергеев
Юрий Николаевич Параев (RU)
Юрий Николаевич Параев
Владимир Павлович Яновский (RU)
Владимир Павлович Яновский
Original Assignee
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Техновак" (ООО НПП "Техновак")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН), Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Техновак" (ООО НПП "Техновак") filed Critical Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Priority to RU2007105467/28A priority Critical patent/RU2338294C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2338294C1 publication Critical patent/RU2338294C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: wide-angle gaseous ion source contains base volume discharge formers including array-arranged hollow cathode and anode, and at least one interconnected auxiliary discharge formers. Auxiliary discharge formers is plasma accelerator with closed electron drift of narrow acceleration zone, containing orificed azimuthally closed anode arranged in ring cavity formed by magnetic circuits, and orificed azimuthally closed ionisation channel of working medium and ion acceleration walls of which are formed by poles of magnetic circuits of geometrical forms providing formation of curved electric and magnetic fields. Besides source has second auxiliary discharge former in the form of second plasma accelerator containing second identical orificed azimuthally closed channel of ion output and coaxial to first one.
EFFECT: allows for ion beam of any diameters with uniform distribution of ion density along demanded length from ion source.
9 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике формирования ионных пучков с широкой апертурой пучка ионов, а именно к источникам ионов на основе основного и вспомогательного разрядов.The invention relates to techniques for the formation of ion beams with a wide aperture of the ion beam, and in particular to ion sources based on the main and auxiliary discharges.

Известен широкоапертурный плазменный эмиттер [RU 2096857 C1, 1997], выполненный в едином узле электродных систем вспомогательного кольцевого и основного объемного разрядов и содержащий общий анод и катоды, катод основного разрядного пространства выполняется плоским и сетчатым, катодный электрод вспомогательного разрядного промежутка - стержневым.Known wide-aperture plasma emitter [RU 2096857 C1, 1997], made in a single node of the electrode systems of the auxiliary ring and the main volume discharges and containing a common anode and cathodes, the cathode of the main discharge space is flat and mesh, the cathode electrode of the auxiliary discharge gap is rod.

Недостатком является некоаксиальная схема размещения вспомогательного и основного разрядов, при такой схеме невозможно увеличение апертуры пучка без существенных энергетических затрат.The disadvantage is the non-coaxial layout of the auxiliary and main discharges; with such a scheme, it is impossible to increase the beam aperture without significant energy costs.

В качестве прототипа выбран широкоапертурный источник ионов [SU 1598757 А1, 1996], содержащий основную и вспомогательную разрядные камеры, соединенные друг с другом, основная разрядная камера образована полым электродом - экспандером и эмиссионным сетчатым электродом, вспомогательная разрядная камера содержит коаксиально установленные анод и катод.A wide-aperture ion source [SU 1598757 A1, 1996] was selected as a prototype. It contains the main and auxiliary discharge chambers connected to each other, the main discharge chamber is formed by a hollow electrode — an expander and an emission mesh electrode, and the auxiliary discharge chamber contains a coaxially mounted anode and cathode.

Недостатком прототипа является конструктивное исполнение ячейки вспомогательного разряда, не позволяющее создавать широкоапертурные пучки с равномерным распределением потока ионов на границе плазменного катода основного разряда.The disadvantage of the prototype is the design of the auxiliary discharge cell, which does not allow the creation of wide-aperture beams with a uniform distribution of the ion flux at the boundary of the plasma cathode of the main discharge.

Задачей изобретения является разработка конструкции газового высокоэнергетического источника ионов, позволяющей без принципиальных ограничений в размерах получать любые диаметры ионных пучков с равномерным распределением плотности ионов на требуемой длине от источника ионов.The objective of the invention is to develop the design of a high-energy gas ion source, which allows, without fundamental restrictions in size, to obtain any diameters of ion beams with a uniform distribution of ion density over the required length from the ion source.

Поставленная задача достигается тем, что, как и в известном, заявляемый широкоапертурный источник газовых ионов содержит средства для формирования основного объемного разряда, включающие полый катод и анод, выполненный в виде сетки, и средства формирования, по крайней мере, одного вспомогательного разряда, соединенные между собой.The problem is achieved in that, as in the known, the inventive wide-aperture gas ion source comprises means for forming a main volume discharge, including a hollow cathode and anode made in the form of a grid, and means for forming at least one auxiliary discharge connected between by myself.

Новым является то, что в качестве средства формирования вспомогательного разряда использован плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов с узкой зоной ускорения (УЗДУ), содержащий кольцевой азимутально-замкнутый анод, размещенный в кольцевой полости, образованной магнитопроводами, и кольцевой азимутально-замкнутый канал ионизации рабочего тела и ускорения ионов, стенки которого образованы полюсами магнитопроводов, имеющие геометрические формы, обеспечивающие формирование искривленных электрического и магнитного полей.New is that as a means of forming an auxiliary discharge, a plasma accelerator with a closed electron drift with a narrow acceleration zone (SPD) is used, containing an annular azimuthally closed anode located in an annular cavity formed by magnetic circuits and an annular azimuthally closed channel for ionizing the working fluid and ion acceleration, the walls of which are formed by the poles of the magnetic cores, having geometric shapes that ensure the formation of curved electric and magnetic fields.

Кроме того, с целью создания искривленного электрического поля анод УЗДУ в зоне ионизации имеет в поперечном сечении скругленную форму.In addition, in order to create a curved electric field, the anode of the ultrasonic vibrating device in the ionization zone has a rounded shape in cross section.

Кроме того, с целью формирования искривленного магнитного поля стенки кольцевого азимутально-замкнутого канала ускорения ионов выполнены под углом друг к другу, образуя расходящийся канал от зоны ионизации к выходу из зоны ускорения.In addition, in order to form a curved magnetic field, the walls of the annular azimuthally closed channel of ion acceleration are made at an angle to each other, forming a diverging channel from the ionization zone to the exit of the acceleration zone.

Кроме того, кольцевой азимутально-замкнутый анод имеет кольцевую внутреннюю полость, соединенную с каналами напуска газа и узкие кольцевые щели выхода газа в область разрядной камеры, ориентированные по оси каналов ускорения ионов.In addition, the annular azimuthally closed anode has an annular internal cavity connected to the gas inlet channels and narrow annular gas exit slits in the region of the discharge chamber, oriented along the axis of the ion acceleration channels.

Предпочтительно, что кольцевая внутренняя полость анода имеет объем в 10 раз больше, чем кольцевые щели выхода газа.Preferably, the annular internal cavity of the anode has a volume 10 times larger than the annular gas exit slits.

Дополнительно источник имеет средство для формирования второго вспомогательного разряда, выполненное в виде второго плазменного ускорителя, содержащего второй идентичный кольцевой азимутально-замкнутый канал выхода ионов и расположенного коаксиально с первым.Additionally, the source has a means for forming a second auxiliary discharge, made in the form of a second plasma accelerator containing a second identical annular azimuthally closed ion exit channel and located coaxially with the first.

Кроме того, для образования упомянутого второго канала магнитопроводы второго плазменного ускорителя выполнены в одной плоскости с магнитопроводами первого плазменного ускорителя, при этом полюс N магнитопровода второго канала выполнен единым с полюсом N первого канала и является внутренним кольцевым полюсом второго канала, полюс S является внутренним кольцевым полюсом первого канала и внешним кольцевым полюсом второго канала и соединен с общим для первого и второго канала магнитопроводом через постоянные магнитыIn addition, for the formation of the said second channel, the magnetic circuits of the second plasma accelerator are made in the same plane as the magnetic circuits of the first plasma accelerator, while the pole N of the magnetic circuit of the second channel is made uniform with the pole N of the first channel and is the inner ring pole of the second channel, pole S is the inner ring pole the first channel and the outer annular pole of the second channel and is connected to a common magnetic circuit for the first and second channel through permanent magnets

Кроме того, второй кольцевой азимутально-замкнутый канал имеет анод, ориентированный вдоль упомянутого канала, идентичный по геометрии первому аноду, расположенный в одной с ним плоскости и с одним центром, но имеет диаметр в два раза больший, и соединенный с первым спицами, снабженными каналами для прохода газа.In addition, the second annular azimuthally closed channel has an anode oriented along the said channel, identical in geometry to the first anode, located in the same plane with one center, but has a diameter two times larger and connected to the first spokes equipped with channels for the passage of gas.

Кроме того, полый катод основного разряда выполнен в форме цилиндра с соотношением длины к внутреннему диаметру L≈d, торец которого присоединен к камере вспомогательного разряда, и имеет кольцеобразные щели с размерами, равными размерам азимутально-замкнутых каналов выхода ионов вспомогательного разряда.In addition, the hollow cathode of the main discharge is made in the form of a cylinder with a ratio of length to inner diameter L≈d, the end of which is attached to the auxiliary discharge chamber, and has ring-shaped slots with dimensions equal to the dimensions of the azimuthally closed exit channels of the auxiliary discharge ions.

Проблема создания источников с широкой апертурой пучка ионов связана с необходимостью формирования большой эмиссионной поверхности плазменного катода и энергетическими затратами для обеспечения высокой плотности плазмы с равномерным распределением на границе плазменного катода. Эта задача может быть решена с помощью применения средств формирования вспомогательного разряда, обеспечивающих равномерное распределение потока ионов на границе полого катода основного разряда.The problem of creating sources with a wide aperture of the ion beam is associated with the need to form a large emission surface of the plasma cathode and energy costs to ensure a high plasma density with a uniform distribution at the boundary of the plasma cathode. This problem can be solved by using means of forming an auxiliary discharge, ensuring uniform distribution of the ion flux at the boundary of the hollow cathode of the main discharge.

В предлагаемом изобретении в качестве вспомогательного разряда применен разряд с замкнутым холловским током в скрещенных Е×Н полях, который формируется в известной схеме плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов [Плазменные ускорители. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича, - М.: Машиностроение, 1972]. Широкоапертурный источник ионов с вспомогательным разрядом типа УЗДУ показан на фиг.1. Достоинствами использования такого средства формирования вспомогательного разряда являются простота конструкции, возможность получения высоких плотностей плазмы разряда при более низком давлении, чем в известных газоразрядных источниках ионов [Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. - М.: Атомиздат, 1972, - 357 с.], возможность создания кольцевого эмиттера ионов с неограниченными размерами диаметра, низкие энергетические затраты за счет упрощения схемы электрического питания в целом источника ионов. Однако в условиях применения в предлагаемом изобретении они имеют недостаток такой, как малая расходимость пучка ионов. В результате на границе полого катода основного разряда формируется неравномерная кольцеобразная плазма, которая после ускорения создает кольцеобразный след на мишени с ярко выраженной неоднородностью плотности ионов.In the present invention, as an auxiliary discharge, a discharge with a closed Hall current in crossed E × H fields is used, which is formed in a known plasma accelerator circuit with a closed electron drift [Plasma accelerators. Ed. Acad. L.A. Artsimovich, - M.: Mechanical Engineering, 1972]. A wide-aperture ion source with an auxiliary discharge of the type SPLD is shown in Fig. 1. The advantages of using such a means of forming an auxiliary discharge are its simplicity of design and the possibility of obtaining high discharge plasma densities at lower pressures than in known gas-discharge ion sources [Gabovich MD Physics and technology of plasma ion sources. - M .: Atomizdat, 1972, - 357 pp.], The possibility of creating a ring ion emitter with unlimited diameter sizes, low energy costs due to the simplification of the electrical power supply as a whole ion source. However, under the conditions of use in the present invention, they have a disadvantage such as low divergence of the ion beam. As a result, an uneven ring-shaped plasma is formed at the boundary of the hollow cathode of the main discharge, which after acceleration creates an annular track on the target with a pronounced inhomogeneity of ion density.

В ионном источнике, показанном на фиг.1, для обеспечения условий формирования равномерного распределения плазмы на эмиссионной границе полого катода в разрядном промежутке и в канале транспортировки ионов ускорителя сформировано неоднородные электрическое и магнитное поля. Неоднородность полей задана формой анода и полюсных наконечников магнитной системы. Поверхность анода, примыкаемая к зоне ионизации в камере вспомогательного разряда, выполнена скругленной и имеет в поперечном сечении форму полуокружности. Поверхности полюсных наконечников (полюсов) магнитной системы, формирующие кольцевой азимутально-замкнутый канал ускорения ионов, выполнены под углом друг к другу, образуя расходящийся магнитный канал выхода ионов от зоны ионизации к выходу из зоны ускорения. Однако, даже при обеспечении геометрических условий формирования неоднородных электрического и магнитного полей не удается достигнуть неравномерности распределения плазмы на эмиссионной границе полого катода меньше 20%. В результате этого после извлечения и ускорения ионов распределение плотности тока ионного пучка на коллекторе получено неравномерное и имеет вид, как показано на фиг.2а.In the ion source shown in Fig. 1, inhomogeneous electric and magnetic fields are formed in the discharge gap and in the channel for transporting the accelerator ions in order to ensure uniform plasma distribution at the emission boundary of the hollow cathode. The heterogeneity of the fields is given by the shape of the anode and the pole pieces of the magnetic system. The surface of the anode adjacent to the ionization zone in the auxiliary discharge chamber is rounded and has a semicircle shape in cross section. The surfaces of the pole pieces (poles) of the magnetic system forming an annular azimuthally closed ion acceleration channel are made at an angle to each other, forming a diverging magnetic channel for the ions to exit from the ionization zone to the exit from the acceleration zone. However, even if the geometric conditions for the formation of inhomogeneous electric and magnetic fields are ensured, it is not possible to achieve uneven plasma distribution at the emission boundary of the hollow cathode of less than 20%. As a result of this, after the extraction and acceleration of the ions, the distribution of the ion beam current density on the collector is uneven and has the form, as shown in Fig. 2a.

Одним из решений для улучшения распределения плазмы на эмиссионной границе полого катода является применение в области вспомогательного разряда дополнительного эмиссионного канала, расположенного коаксиально и в одной плоскости с имеющимся каналом. По сути примененный дополнительный эмиссионный канал есть ничто иное, как дополнительный самостоятельный плазменный ускоритель, но имеющий общие конструктивные элементы с основным, объединяющие их в единый плазменный эмиттер вспомогательного разряда широкоапертурного источника ионов. Такими элементами являются часть магнитопровода и магнитные полюсные наконечники, разделяющие дистанционно эмиссионные каналы, а также азимутально-замкнутый анод, выполненный в виде двух колец, соединенных спицами. Средний диаметр колец анода соответствует осевым диаметрам азимутально-замкнутых каналов выхода ионов вспомогательного разряда. Кроме того, в анодах выполнены кольцевые полости, которые соединены с разрядным пространством через узкие кольцевые щели, служащие для равномерной подачи газа в разрядное пространство. Такая конструкция анода дополнительно к основной функции облегчает зажигание разряда и снижает энергетические потери за счет исключения горения разряда вне зоны извлечения плазмы.One of the solutions for improving the plasma distribution at the emission boundary of the hollow cathode is the use of an additional emission channel located coaxially and in the same plane with the existing channel in the auxiliary discharge region. In fact, the applied additional emission channel is nothing more than an additional independent plasma accelerator, but having common structural elements with the main one, combining them into a single plasma emitter of the auxiliary discharge of a wide-aperture ion source. Such elements are a part of the magnetic circuit and magnetic pole pieces, separating remotely emission channels, as well as an azimuthally closed anode made in the form of two rings connected by spokes. The average diameter of the rings of the anode corresponds to the axial diameters of the azimuthally-closed channels for the exit of ions of the auxiliary discharge. In addition, annular cavities are made in the anodes, which are connected to the discharge space through narrow annular slots, which serve to uniformly supply gas to the discharge space. This anode design, in addition to the main function, facilitates the ignition of the discharge and reduces energy losses by eliminating the burning of the discharge outside the plasma extraction zone.

Данное решение схематично показано на фиг.3. Известно, что распределение плотности потока точечного источника в любой плоскости поперечного сечения имеет вид функции распределения Гаусса (F=J(x)). Добавление еще одного азимутально-замкнутого канала ионов обеспечивает квазиравномерное распределение плазмы в плоскости эмиссионной границы полого катода, которое зависит от геометрических параметров каналов формирования и ускорения плазмы вспомогательного разряда. На фиг.3 изображена в виде графика плотность плазмы на эмиссионной границе полого катода F(J) по диаметру X. Равномерность плотности тока ионов в плоскости коллектора источника ионов достигается подбором геометрических параметров первого и второго каналов. Применение второго азимутально-замкнутого канала позволило достигнуть отклонение от неравномерности плотности тока ионов до 5% на коллекторе размером 480 мм и расстоянии коллектора от ускоряющего электрода источника ионов 500 мм. Сравнительные кривые распределения плотности тока ионов с разными способами формирования каналов выхода ионов вспомогательного разряда показаны на фиг.2. Здесь в каждой точке зависимостей плотность тока J показана в относительных единицах и представлена в виде отношения измеренной плотности тока ионов Jd в соответствующей точке диаметра следа на плотность тока ионов, измеренной в центре следа Jo.This solution is schematically shown in figure 3. It is known that the distribution of the flux density of a point source in any plane of the cross section has the form of a Gaussian distribution function (F = J (x)). The addition of another azimuthally closed ion channel provides a quasi-uniform plasma distribution in the plane of the emission boundary of the hollow cathode, which depends on the geometric parameters of the channels for the formation and acceleration of the auxiliary discharge plasma. Figure 3 shows a graph of the plasma density at the emission boundary of the hollow cathode F (J) along the diameter X. The uniformity of the ion current density in the plane of the collector of the ion source is achieved by selecting the geometric parameters of the first and second channels. The use of the second azimuthally-closed channel made it possible to achieve a deviation from uneven ion current density of up to 5% on a collector of 480 mm and a distance of 500 mm from the accelerating electrode of the ion source. Comparative curves of the distribution of ion current density with different methods of forming the output channels of the ions of the auxiliary discharge are shown in figure 2. Here, at each point of the dependences, the current density J is shown in relative units and presented as the ratio of the measured ion current density J d at the corresponding point of the trace diameter to the ion current density measured at the center of the trace J o .

Основной разряд формируется полым катодом и анодом, выполненным в виде сетки [SU 1790314 A1, 1995]. Полый катод имеет форму цилиндра с соотношением длины и диаметра 0,85. Торец цилиндра, присоединенный к камере вспомогательного разряда, имеет кольцеобразные щели с размерами, равными размерам каналов ускорения УЗДУ, противоположный торец закрыт металлической сеткой с прозрачностью 0,7. Анод основного разряда представляет собой изолированный электрод, выполненный из двух сеток с прозрачностью 0,95, установленных друг от друга на расстоянии 0,2 в отношении к их диаметру. Он выполняет функции ускоряющего электрода и электрода подавления вторичных электронов, возникающих от конструктивных элементов источника ионов и коллектора, на который ускоряются ионы основного разряда.The main discharge is formed by a hollow cathode and anode made in the form of a grid [SU 1790314 A1, 1995]. The hollow cathode has the shape of a cylinder with a ratio of length and diameter of 0.85. The end face of the cylinder, attached to the auxiliary discharge chamber, has ring-shaped slots with dimensions equal to the dimensions of the ultrasonic acceleration channels, the opposite end is closed with a metal mesh with a transparency of 0.7. The anode of the main discharge is an insulated electrode made of two grids with a transparency of 0.95, mounted from each other at a distance of 0.2 in relation to their diameter. It performs the functions of an accelerating electrode and an electrode for suppressing secondary electrons arising from the structural elements of the ion source and collector, to which the ions of the main discharge are accelerated.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.The invention is illustrated in graphic materials.

На фиг.1 представлено схематичное изображение источника ионов с одним азимутально-замкнутым каналом ионов вспомогательного разряда.Figure 1 presents a schematic representation of an ion source with one azimuthally-closed channel of ions of the auxiliary discharge.

На фиг.2а) и б) представлены сравнительные кривые распределения плотности тока ионов с разными способами формирования каналов выхода ионов вспомогательного разряда.On figa) and b) presents the comparative curves of the distribution of ion current density with different methods of forming the channels of the output ions of the auxiliary discharge.

На фиг.3 представлено распределение плазмы на эмиссионной границе полого катода в области вспомогательного разряда с дополнительным эмиссионным каналом.Figure 3 shows the plasma distribution at the emission boundary of the hollow cathode in the region of the auxiliary discharge with an additional emission channel.

На фиг.4 представлена часть поперечного разреза источника ионов с двумя азимутально-замкнутыми каналами ионов вспомогательного разряда.Figure 4 presents a part of a cross section of an ion source with two azimuthally-closed channels of ions of the auxiliary discharge.

На фиг.5 представлен вид сверху анода для источника ионов с двумя азимутально-замкнутыми каналами ионов вспомогательного разряда.Figure 5 presents a top view of the anode for an ion source with two azimuthally-closed channels of ions of the auxiliary discharge.

Источник ионов (фиг.1, 3, 4 и 5) содержит средства для формирования основного объемного разряда, включающие полый катод 1 и анод 2, выполненный в виде сетки, и средства формирования вспомогательного разряда, содержащие азимутально-замкнутый аноды 3 и 3', размещенные в полости, образованной магнитопроводами 4 и 5 и полюсами магнитной системы 6, 7, 8, стенки которых образуют два кольцевых азимутально-замкнутых канала 9 и 9', у которых полюс 7 является внутренним кольцевым полюсом N второго канала 9' и выполнен единым с полюсом N первого канала 9, полюс 8 является внешним кольцевым полюсом S второго канала 9' и соединен с общим для каналов 9 и 9' магнитопроводом 5 через постоянные магниты 10, магнитопровод 6 является внутренним кольцевым полюсом S первого канала и соединен с общим для каналов 9 и 9' магнитопроводом 4 через постоянные магниты 11. Азимутально-замкнутый анод 3 (фиг.4, 5) соединен с анодом 3' тремя спицами 12, 12', 12'', снабженными каналами 13 для прохода газа, и расположен на диаметре в два раза большем, в одной плоскости и с одним центром анода 3. Аноды 3 и 3' имеют кольцевые полости 14 и 14', соединенные с одной стороны с кольцевыми щелями 15 и 15' на скругленной поверхности анодов и с другой стороны полость 14 соединена с тремя держателями анода 16, снабженными каналами напуска газа 17, и служащие дополнительно для крепления анодов в изолированном состоянии от магнитопровода и отвода тепла от анодов. Полость 14' с другой стороны соединена с каналами напуска газа 13 спиц 12, 12', 12''.The ion source (figures 1, 3, 4 and 5) contains means for forming a main volume discharge, including a hollow cathode 1 and anode 2, made in the form of a grid, and means for forming an auxiliary discharge, containing azimuthally closed anodes 3 and 3 ', placed in the cavity formed by the magnetic circuits 4 and 5 and the poles of the magnetic system 6, 7, 8, the walls of which form two annular azimuthally closed channels 9 and 9 ', in which the pole 7 is the inner ring pole N of the second channel 9' and is made integral with pole N of the first channel 9, pole 8 is is connected by an external annular pole S of the second channel 9 'and connected to a magnetic circuit 5 common to channels 9 and 9' through permanent magnets 10, a magnetic circuit 6 is an internal ring pole S of the first channel and connected to a magnetic circuit 4 common to channels 9 and 9 'through permanent magnets 11. The azimuthally closed anode 3 (Figs. 4, 5) is connected to the anode 3 'by three spokes 12, 12', 12 '', equipped with channels 13 for the passage of gas, and is located at a diameter twice as large, in the same plane and with one center of the anode 3. Anodes 3 and 3 'have annular cavities 14 and 14' connected to the bottom side with annular slots 15 and 15 'on the rounded surface of the anodes and on the other hand, the cavity 14 is connected to three holders of the anode 16 provided with gas inlet channels 17, and additionally used to secure the anodes in an isolated state from the magnetic circuit and to remove heat from the anodes. The cavity 14 'on the other hand is connected to the gas inlet channels 13 of the spokes 12, 12', 12 ''.

Источник работает следующим образом.The source works as follows.

При подаче напряжения ~600 В на держатель анода 16 и напуске газа через канал 17 (Фиг.3) в разрядном промежутке анод-катод (3 и 3' - магнитопроводы 6, 7, 8) вспомогательной разрядной системы зажигается разряд в скрещенных Е×Н полях. Благодаря наличию азимутально-замкнутых разрядных систем, сформированных кольцевыми стенками магнитной системы и кольцевыми анодами, реализуется разряд с замкнутым холловским током с двумя выходами ионов через магнитные каналы ускорения. Работа ускорителя с замкнутым дрейфом электронов подробно описана в работе [Плазменные ускорители. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича, - М.: Машиностроение, 1972]. Ионы из разряда выходят в область полого катода с эмиссионной поверхностью диаметром 230 мм на границе полого катода, образованной сеткой. При подаче ускоряющего напряжения ~30 кВ между сеткой полого катода 1 и анодом 2 основного разряда ионы извлекаются из плазмы полого катода и ускоряются на коллектор. Ускоренный пучок ионов приходит на мишень с расходимостью 30°. Величина расходимости пучка определяется векторами начальных скоростей, которые приобрели ионы в искаженном Е×Н поле, и пропорциональна геометрии электродов вспомогательной разрядной системы.When a voltage of ~ 600 V is applied to the anode holder 16 and gas is introduced through the channel 17 (Fig. 3) in the discharge gap, the anode-cathode (3 and 3 'are the magnetic circuits 6, 7, 8) of the auxiliary discharge system, a discharge is ignited in crossed E × N fields. Due to the presence of azimuthally-closed discharge systems formed by the annular walls of the magnetic system and annular anodes, a discharge with a closed Hall current with two ion outputs through magnetic acceleration channels is realized. The operation of an accelerator with a closed electron drift is described in detail in [Plasma accelerators. Ed. Acad. L.A. Artsimovich, - M.: Mechanical Engineering, 1972]. Ions from the discharge exit into the region of the hollow cathode with an emission surface with a diameter of 230 mm at the boundary of the hollow cathode formed by the grid. When an accelerating voltage of ~ 30 kV is applied between the grid of the hollow cathode 1 and the anode 2 of the main discharge, ions are extracted from the plasma of the hollow cathode and are accelerated to the collector. An accelerated ion beam arrives at a target with a divergence of 30 °. The beam divergence is determined by the initial velocity vectors that the ions acquired in the distorted E × H field, and is proportional to the geometry of the electrodes of the auxiliary discharge system.

В экспериментах были проведены измерения распределения плотности тока пучка ионов на мишени на расстоянии 400, 500, 600 мм от сетки подавления вторичных электронов. Измерения проводились по оценке степени почернения бумаги от пучка ионов. Наилучшая равномерность плотности тока была достигнута на расстоянии ~500 мм, при этом градиент распределения плотности тока по диаметру составил ~5% на диаметре 480 мм в исследованном диапазоне давлений рабочего газа.In the experiments, the current density distribution of the ion beam on the target was measured at a distance of 400, 500, and 600 mm from the secondary electron suppression network. The measurements were carried out to assess the degree of blackening of the paper from the ion beam. The best uniformity of the current density was achieved at a distance of ~ 500 mm, while the gradient of the distribution of current density in diameter was ~ 5% at a diameter of 480 mm in the studied range of working gas pressures.

Claims (9)

1. Широкоапертурный источник газовых ионов, содержащий средства для формирования основного объемного разряда, включающие полый катод и анод, выполненный в виде сетки, и средства формирования, по крайней мере, одного вспомогательного разряда, соединенные между собой, отличающийся тем, что в качестве средства формирования вспомогательного разряда он содержит плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов с узкой зоной ускорения, содержащий кольцевой азимутально-замкнутый анод, размещенный в кольцевой полости магнитопроводов, и кольцевой азимутально-замкнутый канал для ионизации рабочего газа и ускорения ионов, стенки которого образованы полюсами магнитопроводов, имеющих геометрические формы, обеспечивающие формирование искривленных электрического и магнитного полей.1. A wide-aperture gas ion source containing means for forming a main volume discharge, including a hollow cathode and anode made in the form of a grid, and means for forming at least one auxiliary discharge, interconnected, characterized in that as a means of forming auxiliary discharge, it contains a plasma accelerator with a closed electron drift with a narrow acceleration zone, containing an annular azimuthally closed anode located in the annular cavity of the magnetic circuits, and tsevoy azimuthally closed passage for the working gas ionization and ion acceleration, the walls of which the poles of the magnetic cores are formed having geometries that provide formation of curved electric and magnetic fields. 2. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1, отличающийся тем, что, с целью создания искривленного электрического поля, кольцевой азимутально-замкнутый анод в зоне ионизации имеет в поперечном сечении скругленную форму.2. The wide-aperture gas ion source according to claim 1, characterized in that, in order to create a curved electric field, the annular azimuthally closed anode in the ionization zone has a rounded shape in cross section. 3. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1, отличающийся тем, что, с целью формирования искривленного магнитного поля, стенки кольцевого азимутально-замкнутуго канала ускорения ионов выполнены под углом друг к другу, образуя расходящийся канал от зоны ионизации к выходу из зоны ускорения.3. The wide-aperture gas ion source according to claim 1, characterized in that, in order to form a curved magnetic field, the walls of the annular azimuthally closed ion acceleration channel are made at an angle to each other, forming a diverging channel from the ionization zone to the exit of the acceleration zone. 4. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1 или 2, отличающийся тем, что кольцевой азимутально-замкнутый анод имеет кольцевую внутреннюю полость, соединенную с каналами напуска газа, и узкие кольцевые щели выхода газа в область разрядной камеры, ориентированные по оси каналов ускорения ионов.4. A wide-aperture gas ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the annular azimuthally closed anode has an annular internal cavity connected to the gas inlet channels and narrow annular gas exit slits in the region of the discharge chamber, oriented along the axis of the ion acceleration channels . 5. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.4, отличающийся тем, что кольцевая внутренняя полость анода имеет объем в 10 раз больше, чем кольцевые щели выхода газа.5. A wide-aperture gas ion source according to claim 4, characterized in that the annular internal cavity of the anode has a volume 10 times larger than the annular slots of the gas outlet. 6. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно имеет средство для формирования второго вспомогательного разряда, выполненное в виде второго плазменного ускорителя, содержащего второй идентичный кольцевой азимутально-замкнутый канал выхода ионов, расположенный коаксиально с первым.6. The wide-aperture gas ion source according to claim 1, characterized in that it additionally has a means for forming a second auxiliary discharge, made in the form of a second plasma accelerator containing a second identical annular azimuthally closed ion exit channel located coaxially with the first. 7. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.6, отличающийся тем, что для образования упомянутого второго канала магнитопроводы второго плазменного ускорителя выполнены в одной плоскости с магнитопроводами первого плазменного ускорителя, при этом полюс N магнитопровода второго канала выполнен единым с полюсом N первого канала и является внутренним кольцевым полюсом второго канала, полюс S является внутренним кольцевым полюсом первого канала и внешним кольцевым полюсом второго каналов и соединен с общим для первого и второго каналов магнитопроводом через постоянные магниты.7. The wide-aperture gas ion source according to claim 6, characterized in that for the formation of said second channel, the magnetic circuits of the second plasma accelerator are made in the same plane as the magnetic circuits of the first plasma accelerator, while the pole N of the magnetic circuit of the second channel is made uniform with the pole N of the first channel and is the inner ring pole of the second channel, the pole S is the inner ring pole of the first channel and the outer ring pole of the second channel and is connected to the common for the first and second channels agnitoprovodom through permanent magnets. 8. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.6, отличающийся тем, что второй кольцевой азимутально-замкнутый канал имеет анод, ориентированный вдоль упомянутого канала, идентичный по геометрии первому аноду, расположенный в одной с ним плоскости и с одним центром, но имеющий диаметр, в два раза больший, и соединенный с первым при помощи элементов, например спиц, снабженных каналами напуска газа.8. The wide-aperture gas ion source according to claim 6, characterized in that the second annular azimuthally closed channel has an anode oriented along the said channel, identical in geometry to the first anode, located in the same plane with one center but with a diameter, twice as large, and connected to the first by means of elements, for example spokes, equipped with gas inlet channels. 9. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1 или 6, отличающийся тем, что полый катод выполнен в форме цилиндра с отношением длины к внутреннему диаметру L≈d, торец которого присоединен к камере вспомогательного разряда и имеет кольцеобразные щели с размерами, равными размерам азимутально-замкнутых каналов выхода ионов вспомогательного разряда.9. A wide-aperture gas ion source according to claim 1 or 6, characterized in that the hollow cathode is made in the form of a cylinder with a ratio of length to inner diameter L≈d, the end of which is attached to the auxiliary discharge chamber and has ring-shaped slots with dimensions equal to azimuthally -closed channels for the exit of ions of the auxiliary discharge.
RU2007105467/28A 2007-02-13 2007-02-13 Wide-angle gaseous ion source RU2338294C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007105467/28A RU2338294C1 (en) 2007-02-13 2007-02-13 Wide-angle gaseous ion source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007105467/28A RU2338294C1 (en) 2007-02-13 2007-02-13 Wide-angle gaseous ion source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2338294C1 true RU2338294C1 (en) 2008-11-10

Family

ID=40230465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007105467/28A RU2338294C1 (en) 2007-02-13 2007-02-13 Wide-angle gaseous ion source

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2338294C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722690C1 (en) * 2019-11-29 2020-06-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Apparatus for producing a wide-aperture low-energy ion flux

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5218271A (en) * 1990-06-22 1993-06-08 Research Institute Of Applied Mechanics And Electrodynamics Of Moscow Aviation Institute Plasma accelerator with closed electron drift
WO1996006518A1 (en) * 1994-08-25 1996-02-29 Aeorospatiale Societe Nationale Industrielle Plasma accelerator with closed electron drift
SU1598757A1 (en) * 1989-02-15 1996-07-27 Республиканский инженерно-технический центр по восстановлению и упрочнению деталей машин и механизмов СО АН СССР Wide-aperture ion source
RU2088802C1 (en) * 1995-12-09 1997-08-27 Исследовательский центр им.М.В.Келдыша Hall motor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1598757A1 (en) * 1989-02-15 1996-07-27 Республиканский инженерно-технический центр по восстановлению и упрочнению деталей машин и механизмов СО АН СССР Wide-aperture ion source
US5218271A (en) * 1990-06-22 1993-06-08 Research Institute Of Applied Mechanics And Electrodynamics Of Moscow Aviation Institute Plasma accelerator with closed electron drift
WO1996006518A1 (en) * 1994-08-25 1996-02-29 Aeorospatiale Societe Nationale Industrielle Plasma accelerator with closed electron drift
RU2088802C1 (en) * 1995-12-09 1997-08-27 Исследовательский центр им.М.В.Келдыша Hall motor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722690C1 (en) * 2019-11-29 2020-06-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Apparatus for producing a wide-aperture low-energy ion flux

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH04229996A (en) Plasma accelearator having closed electron drift
Vintizenko et al. Hollow-cathode low-pressure arc discharges and their application in plasma generators and charged-particle sources
Antonovich et al. Plasma emission systems for electron-and ion-beam technologies
CN106531600A (en) Device of negative hydrogen ion source of hole-shaped water-cooled electrode extraction system
WO2001093293A1 (en) Plasma ion source and method
US7009342B2 (en) Plasma electron-emitting source
CN216391496U (en) Plasma generating device and ion source
RU2338294C1 (en) Wide-angle gaseous ion source
RU187270U1 (en) PULSE NEUTRON GENERATOR
US8575565B2 (en) Ion source apparatus and methods of using the same
CN206210745U (en) A kind of device of hole shape water cooled electrode extraction system H- ion source
US20200040877A1 (en) Ion thruster with external plasma discharge
RU107657U1 (en) FORVACUMUM PLASMA ELECTRONIC SOURCE
CN106508075B (en) Hot cathode Plasma electron gun
RU2083062C1 (en) Gaseous-discharge device
RU2237942C1 (en) Heavy-current electron gun
Jamirzoev et al. Characteristics of discharge in crossed ЕxН fields near breakdown curve in acceleration and plasma regime
RU2256979C1 (en) Penning-discharge plasma electron source using radially converging ribbon beams
RU2496283C1 (en) Generator of wide-aperture flow of gas-discharge plasma
RU159300U1 (en) ELECTRONIC SOURCE WITH PLASMA EMITTER
RU2134921C1 (en) Plasma ion emitter
Bugaev et al. Enhanced electric breakdown strength in an electron-optical system
RU2371803C1 (en) Plasma ion source
Veresov et al. Ion source with a cold magnetron cathode and magnetic plasma compression
Gavrilov et al. Generation of a homogeneous plasma in a glow discharge with a hollow anode and a wide-aperture hollow cathode

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200214