Эмиттер ионов на основе трехкаскадного самостоятельного разряда

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 537. 24 + 621. 384. 5
Приведено описание конструктивных особенностей и принципа действия газоразрядного эмиттера для источников ускоренных потоков ионов различных газов, включая активные. Источники ионов предназначены для осуществления технологических процессов на основе ионнолучевой обработки материалов в вакууме в машиностроении, микроэлектронике.
ЭМИТТЕР ИОНОВ НА ОСНОВЕ ТРЕХКАСКАДНОГО САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РАЗРЯДА
В. А. Никитинский Б.И. Журавлев А. В. З е м а
Источники ускоренных потоков (пучков) ионов являются наиболее ответственным звеном установок, предназначеных для осуществления технологических процессов на основе ионнолучевой обработки материалов в вакууме (напыление и размерная обработка пленок, модификация поверхностей с целью их упрочнения или изменения свойств, полировка оптических поверхностей и др.). Выходные параметры источников ионов определяются типом эмиттера (генератора) ионов, в качестве которого обычно используют газовый разряд низкого давления. В работах [1,2] показано, что реализация двухкаскадной схемы объемной генерации заряженных частиц и организация отбора ионов с катодной стороны разрядной камеры значительно повышает эмиссионные свойства разряда.
Разработан эмиттер ионов с трехкаскадным последовательным объемным размножением электронов и ионов, конструкция которого схематически представлена на рисунке.
Эмиттер содержит анод 1 и полый катод, образованный диафрагмой 2 с осевым отверстием диаметром d, полым цилиндром 3 диаметром d1 и противоположным аноду перфорированным эмиссионным электро-
Рисунок 1. Схема эмиттера ионов.
дом 4. Между полым катодом и анодом установлены электрод-отражатель 5 с осевым контрагирующим отверстием диаметром d2 и дополнительный полый анод 6. Ферромагнитные диафрагма 2 и отражатель 5 совместно с дополнительным анодом 6 и катушкой электромагнита 7 образуют ячейку Пеннинга. Для отбора, ускорения до требуемых энергий и формирования в пучок ионов из газоразрядной плазмы установлен ускоряющий электрод 8. В эмиссионном 4 и ускоряющем 8 электродах выполнены соосные отверстия, и эти электроды образуют многоапертурную ионно-оптическую систему. Напуск ионообразующего газа в разрядный промежуток осуществляется через каналы в анодах 1 и 6 от отдельных регулируемых натекателей. Диэлектрические кольца 912 служат одновременно для электрической изоляции между электродами и для герметизации разрядной камеры. Откачка разрядной камеры осуществляется через отверстия ионно-оптической системы. Отбор и формирование ионов в пучок осуществляется с катодной стороны разрядной камеры. Отражатель 5 и дополнительный анод 6 подключены с помощью резисторов Я1 и Я2 к полому катоду и аноду, соответственно.
Принцип действия эмиттера следующий. Устанавливается напуск рабочего газ через аноды, чтобы давление в ячейке Пеннинга составляло не менее 0,1 Па (~ 10~3 мм рт. ст.). После подачи напряжения между полым катодом и анодом 1 порядка 500 В и введения магнитного поля индукцией порядка 0,01 Тл первоначально зажигается разряд в ячейке Пеннинга. Пеннингов-ский разряд возбуждает полый катод, в котором образуется редкая катодная плазма, отделенная от более плотной плазмы пеннинговского разряда первым двойным электрическим слоем (форма слоя -часть сферы), который возникает с катодной стороны отверстия (диаметром с1) в диафрагме 2 из-за значительного изменения поперечных размеров разрядного промежутка.
Ограничение тока в цепи дополнительного анода 6 сопротивлением Я, приводит к перебрасыванию разряда на анод 1 через
контрагирующее отверстие (диаметром d2) в отражателе 5. С катодной стороны этого контрагирующего отверстия образуется второй двойной электрический слой между пеннинговской плазмой и плазменным сгустком в контрагирующем отверстии.
Неоднородное магнитное поле в области отверстия диафрагмы 2 способствует увеличению напряжения на первом двойном электрическом слое и увеличивает его протяженность в направлении эмиссионного электрода 4. При выполнении сотношения размеров d = ¦ d2 обеспечивается многократная осцилляция ионизирующих электронов, выбиваемых ионами со стенок в полом катоде, и практически полное использование энергии электронами, приобретенной в катодном падении, на ионизацию. Каждый электрон, выбитый со стенки
катода, производит (а4 -1) & quot-цу"- новых электронов в
катодной полости. а1 — коэффициент размножения электронов в полом катоде (первом каскаде разряда), ик — катодное падение напряжения (у стенок полого катода), Аи — средние затраты энергии (в единицах потенциала) электрона на один акт ионизации. При ионизации атомов ионообразующего газа образуются одновременно электроны и ионы катодной плазмы.
Электроны катодной плазмы, попавшие на первый двойной электрический слой с напряжением ис1, ускоряются и получают дополнительную энергию, соответствующую напряжению в слое. Они способны производить ионизацию ионообразующего газа в ячейке Пеннинга (второй каскад разряда внутри дополнительного анода 6) при многократной осцилляции вдоль силовых линий магнитного поля между диафрагмой 2 и отражателем 5. На электроды 2 и 5 электроны не уходят из-за потенциального баръера у их стенок, а движению электронов на дополнительный электрод 6 препятствует магнитное поле. Во втором
каскаде разряда электроны производят (а2−1) = ЦЦу
новых пар заряженных частиц (электронов и ионов). а2 — коэффициент размножения электронов в ячейке Пеннинга (втором каскаде разряда).
Электроны второго каскада, попавшие на второй двойной электрический слой с напряжением ис2, получают дополнительную энергию, соответствующую напряжению в слое. Ускоренные во втором двойном электрическом слое электроны возбуждают пучково-плазменные взаимодействия в контрагирующем отверстии отражателя 5, благодаря чему генерируется плотная прианодная плазма (третий каскад разряда -сгусток плазмы вблизи анода 1). В третьем каскаде
генерируется (а 3−1) = ЦЦ2новых пар заряженных частиц. а3 — коэффициент размножения электронов в третьем каскаде разряда.
Для открытой системы электродов в сторону эмиссии ионов в пучок при выполнении условия d = и с учетом приведенного выше механизма генерации заряженных частиц можно записать условие существования трехкаскадного разряда (по аналогии с условием существования двухкаскадного разряда [3]) Ь -у-(а 4 а 2−1). В последнем уравнении Ь — доля ио-
нов, попадающих на стенки полого катода, от всего количества ионов в разряде, у — коэффициент ионно-электронной эмиссии со стенок полого катода.
Размеры разрядной камеры можно выбирать следующим образом. Диаметр полого катода d1 задается требованиями поперечного сечения потока ионов из эмиттера (например, 100 мм). Диаметр d контрагиру-ющего отверстия в диафрагме 2 должен быть, по крайней мере, на порядок меньше d, чтобы реализовывались условия для осцилляции электронов полом катоде (например, 10 мм). Диаметр d2 контрагирующего отверстия в отражателе 5 можно определить из условия d = (например, d2 = d2/d1 = 1 мм). Расстояние
от отражателя 5 до эмиссионного электрода 4 (осевое расстояние) не должно превышать длины свободного пробега X иона при давлении порядка 0,1 Па (например, для аргона X = 5 см). Высота (осевое расстояние) ячейки Пеннинга из технологических возможностей 1,5 +2 см. Тогда высота полости катода 3 4−3,5 см.
Напряжения на разряде можно оценить следующими соотношениями. Для разрядов низкого давления Ь «0,5- у и 0,1- Аи и 40 В. На трехкаскад-ном ир3 =Ди¦ (а4+а2+а3−3) и на двухкаскадном ир2 =ди -(а 4+а 2- 2). Если принять с учетом условия существования разряда для трехкаскадного разряда а1 = а2 = 3,3 и а3 = 2, получим разрядное напряжение ир3 и 230 В. Если принять с учетом условия существования разряда для двухкаскадного разряда а1 = 10 и а2 = 2, получим разрядное напряжение ир2 и 400 В.
Таким образом, в эмиттере ионов реализована экономичная трехкаскадная схема последовательного объемного размножения электронов, что приводит к существенному снижению напряжения на самостоятельном разряде, т. е. к снижению затрат энергии на образование одного иона (& quot-цена иона& quot-). Одновременно реализована открытая с увеличивающимися размерами выходных отверстий (контрагирующих отверстий) система для выхода ионов из зон их генерации с минимальными потерями, что приводит к увеличению электрической экономичности (отношение тока эммитируемых из разряда ионов к затратам разрядной мощности). Изменением потоков ионообразующего газа и величин сопротивлений Я1 и Я2 можно перераспределять напряжение разряда, а вместе с тем и вклады в объемную генерацию заряженных частиц между каскадами, управлять формой двойных электрических слоев и добиваться равномерного распределения высокой плотности тока ионов на эмиссионной поверхности.
Литература
1. Никитинский В. А., Журавлев Б. И., Гапоненко А. Т. Двухкаскадный самостоятельный разряд низкого давления // Журнал технической физики. — 1985. — Т. 55, № 8. — С. 1637−1639.
2. Стогний А. И., Никитинский В. А., Журавлев Б. И. Двухкаскадный самостоятельный разряд низкого давления без магнитного поля // Журнал технической физики. — 1988. — Том 58, № 5. — С. 993−995.
3. Никитинский В. А., Журавлев Б. И. Условия существования разряда с холодным катодом, контрагированного в скрещенных полях // Журнал технической физики. — 1982. — Т. 52, № 5. — С. 880−883.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой