Плазменный источник тяжелых ионов на базе разряда с двойным контрагированием

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятых на ХХУ1 съезде КПСС, среди главных задач, выдвигаемых перед работниками науки, отмечались и такие как разработка и внедрение высокоэффективных методов повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости металлов, широкое использование электрохимических, плазменных, лазерных, радиационных и других высокоэффективных методов обработки металлов и других материалов и изделий с целью существенного улучшения их свойств [i] .

Большой комплекс исследований, проведенных в семидесятых годах, показал, что многие из указанных выше задач могут решаться с применением ионных пучков различных ионов, ускоренных до соответствующей энергии.

Особо важное значение приобретает применение ионных пучков в деле повышения качества и надежности изделий микроэлектроники [2−5].

Ввиду высоких удельных потерь энергии в твердом теле, тяжелые ионы могут с успехом использоваться при испытаниях материалов на радиационную стойкость. Применение ускорителей тяжелых ионов позволяет за несколько часов создавать в материалах радиационные дефекты, которые в самых мощных реакторах достигаются в течение нескольких десятков лет [б] .

Многие другие применения ионных пучков описаны в [7,в] .

В связи с этим в последние годы значительно возрос интерес к физике и технике тяжелых ионов. Одной из проблем, возникающих при разработке ускорительных комплексов тяжелых ионов, является создание эффективных плазменных источников ионов. Среди различных типов источников ионов наибольшее распространение в настоящее время получили плазменные источники ионов. (ИИП), как обладающие наибольшей интенсивностью извлекаемых ионных пучков и рядом других положительных качеств [9,10]. Вместе с тем, в последнее время для некоторых применений начались разработки лазерных ионных источников [il] и жвдкометаллических эмиттеров ионов [l2,I3]. Однако пока они еще не нашли сколь либо широкого распространения.

Характеристики источника ионов главным образом определяются возможностями эмиттера ионов. Высокоэффективным эмиттером ионов является газовый разряд с двойным контрагированием [9,ю]. Этот тип разряда широко применяется в ИИП для получения газообразных веществ [4,14]. Возможности же разряда с двойным контрагированием в качестве источника ионов твердых веществ и, в частности, металлов изучены еще недостаточно полно. В литературе приводятся только отдельные конструкции [lO, I5]. Описание же методик, позволяющих оценить их параметры или провести проектирование на заданные параметры, отсутствует.

В связи с изложенным, исследование разряда дуоплазматронно-го типа и создание на его основе источников ионов металлов и других веществ является актуальной задачей, имеющей существенное значение для дальнейшего углубления знаний об ИИП и совершенствования конструкций ионных источников и расширения областей их применения.

Рациональное применение разряда с двойным контрагированием невозможно без детального исследования его свойств, в том числе и процессов в прианодной плазме, параметры которой, во многом определяют эмиссионные свойства ИИП. Эксплуатационные характеристики и возможности ионных источников в значительной мере зависят от типа используемого катода. Так их возможности существенно расширяются при использовании разрядов с ненакаливаемыми катодами и, в частности, тлеющего разряда.

Таким образом для решения задачи, касающейся дальнейшего улучшения характеристик ИИП на базе разряда с двойным контраги-рованием представляет интерес рассмотреть следующие основные вопросы:

1. Исследовать процессы в положительном столбе дуоплазмат-рона с сильным контрагированием разряда.

2. Изучить вопросы, касающиеся получения металлосодержащей плазмы в генераторе плазмы на базе дуо плаз матрона.

3. Разработать методику оценки эффективности генератора металло содержащей плазмы.

4. Выбрать экспериментальную методику определения симметричной части функции распределения электронов (ФРЭ) и исследования распределения потенциала в прианодной плазме дуоплазматронного разрцца.

5. Создать эффективный генератор плазмы, содержащей ионы металла, на базе разряда с двойным контрагированиемусовершенствовать дуоплазматрон для использования его в качестве источника газовых ионов.

6. Рассмотреть вопросы сепарации первичного пучка ионов по массам.

При выполнении диссертационной работы использовались: систематический анализ и обобщение литературных данных с целью исследования последних достижений и выявления возможностей даль-шейшего совершенствования конструкций ИИП рассматриваемого типатеоретические методы решения задач методами математической физики с пп-фоким применением ЭВМразличные экспериментальные методы диагностики: масс-спектрометрия, зондирование и т. п.

На защиту в диссертационной работе выносятся следующие научные положения:

1. Предельная энергия электронов в предобрывном состоянии при протекании тока в разряде с контрагирующим электродом определяется начальным давлением газа в области контрагирования.

2. Для эффективного использования атомов распыленного вспомогательным разрядом вещества в ионном источнике типа дуоплаз-матрон с сильно контрагиро ванным разрядом необходимо, чтобы результирующее направление электрического тока в плазме вспомогательного разряда пересекало направление тока основного разряда.

3. При получении в дуоплазматроне ионов веществ, которые при попадании на стенку не возвращаются обратно в разрядную область, эффективное извлечение ионов возможно лишь тогда, когда диаметр выходного отверстия в аноде меньше диаметра разрядного шнура, при этом в прианодной области исчезает электрическое поле тормозящее ионы.

При выполнении работы были получены следующие основные научные результаты:

— разработана методика оценки содержания ионов металла в извлекаемом пучке;

— разработана модель процессов при протекании тока через сужение применительно к генераторам плазмы ИИП, имеющим сужения;

— получено соотношение, связывающее величину плотности тока в предобрывном состоянии с предельной энергией электронов и начальным давлением газа;

— уточнена модель, позволяющая уточнить граничные условия на границе раздела плазма-вакуум;

— предложены методы снижения величины катодного падения напряжения при использовании тлеющего разряда и повышения эффективности плазменного катода с применением эффекта усиления плазменного тока в магнитном поле;

— уточнены выражения, позволяющие провести расчет фильтра Вина в одночастичном приближении.

Результаты практической части работы заключаются в разработке и внедрении ИИП на базе разряда дуоплазматронного типа для получения ионов металлов и газообразных веществ ориентированных на применение в аналитической аппаратуре, электростатических ускорителях и технологических установках.

В первой главе рассматриваются конструкции ионных источни-кой, позволяющие получать ионы металла. На основе анализа конструкций делается выбор базовой конструкции и обосновываются основные направления работы.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментально лгу исследованию генератора плазмы, содержащей ионы металла, и разработке методики оценки содержания ионов металла в ионном пучке.

В третьей главе дано описание модели процессов в прианод-ной области разряда с контрагированием при протекании токов близких к критическим.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования прианодной плазмы дуоплазматрона, установлено необходимое условие для обеспечения эффективной эмиссии ионов металла.

Пятая глава посвящена описанию вопросов, связанных с проек-Т1фованием ионных источников дуоплазматронного типа. В ней дается описание разработанных узлов ИИП и некоторых конструкций дуопла-зматронов.

В шестой главе рассмотрены характеристики фильтра Вина, используемого в качестве масс-сепаратора ионного пучка, извлекаемого из ИИП, и приводятся уточненные выражения, позволяющие рассчитать масс-сепаратор на заданные параметры.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы, посвященной изучению вопросов, возникающих при разработке ИИП на базе разряда с двойным контрарнованием, заключаются в следующем:

1. С целью получения количественных оценок содержания ионов металла в извлекаемом из ИИП ионном пучке цроведены расчеты распределения концентрации распыленных атомов металла для двух вариантов геометрии генератора плазмы, содержащей ионы металла. Получены распределения концентрации атомов распыленного вещества по объему камер.

2.Разработана методика оценки содержания ионов металлов в извлекаемом из дуоплазматрона ионном пучке.

3. Проведено экспериментальное изучение двух вариантов конструкций дуоплазматронного генератора плазмы, содержащей ионы металлов. Показано, что эффективность использования атомов распыляемого вещества может быть увеличена за счет организации вспомогательного разряда таким образом, чтобы направление тока основного разряда пересекало направление тока вспомогательного разряд да.

4. С целью обеспечения условий дрейфа ионов, образовавшихся в плазме вспомогательного разряда, в направлении положительного столба основного разряда целесообразно использовать для питания вспомогательного разряда независимый источник питания, у которого ни один из полюсов не соединен с источником питания основного разряда.

5. Исследованы факторы, определяющие максимальный ток разряда в генераторе плазмы дуоплазматронного типа. Получены выражения, устанавливающие связь между плотностью разрядного тока, электронной температурой и начальным давлением, позволяющее определить максимально достижимые токи в контрагированном разряде низкого давления применительно к дуоплазматрону. Максимальная величина энергии электронов достигается в предо брывных режимах разряда. Показано, что предельная энергия электронов в предобрывном состоянии зависит от начального давления газа в области сужения и с увеличением начального давления падает.

6. Экспериментально исследованы характеристики прианодной плазмы в разряде с двойным контрагированием. Экспериментально установлено, что в дуоплазматроне при некоторых условиях отсутствует отрицательное анодное падение напряжения. Для реализации режима работы ШП с отрицательным анодным падением необходимо, чтобы диаметр отверстия в сжимающем электроде превосходил диаметр отверстия в аноде. Установлено, что образование области положительного анодного падения препятствует эмиссии ионов металлов из дуопл азматрона.

7. Проведены исследования катодных узлов различных конструкций с целью снижения величины катодного падения напряжения. Показано, что повышение энергетической эффективности генератора плазмы ИИП, использующего тлеющий разряд с полым катодом, возможно при создании условий, ограничивающих выход из катодной полости быстрых катодных электронов, не растративших энергию, приобретенную ими в слое катодного падения напряжения. Предложена конструкция полого катода, в которой уменьшен уход быстрых электронов из катодной полости, и за счет этого получено снижение катодного падения напряжения (при использовании в качестве рабочего газа аргона) на 20−25%.

8. Эффективность катодного узла может быть увеличена при использовании эффекта усиления плазменного тока. Показано, что эффективность этого способа возрастает при использовании магнитного поля, вектор индукции которого параллелен поверхности дополнительных электродов, на которые осуществляется отбор тока положительных ионов из плазмы разряда.

9. Проведено уточнение условий на поверхности плазменного эмиттера ионов. Показано, что эмиссионная способность плазмы, проникающей в вакуум определяется не только ее параметрами, но и формой границы раздела плазма-слой пространственного заряда. Получено выражение, позволяющее определить величину напряженности электрического поля на поверхности плазменного эмиттера через параметры плазмы, проникающей в вакуум.

10. Разработана конструкция ИИП типа дуоплазматрон для получения ионов металла с катодным распылением рабочего вещества, позволяющая получать пучок ионов металла интенсивностью в несколько десятков мкА, при суммарном разрядном токе не более 0,6 А и потребляемой мощности примерно на порядок меньше чем в конструкциях, описанных в главе I.

11. Разработаны конструкции ИИП дуоплазматронного типа для получения ионов газообразных веществ, отличающиеся от известных более высокой энергетической эффективностью, большим сроком службы, простотой схемы электрического питания и малым разбросом извлекаемых ионов по скоростям.

12. Усовершенствована методика расчета масс-сепаратора на базе фильтра Вина.

В заключении хочу выразить искреннюю признательность руководителю работы доктору технических наук, профессору Августу Авгус-товичу Потсару, кандидату технических наук Владимиру Тимофеевичу Барченко, кандидату технических наук, доценту Виктору Владимировичу Черниговскому за помощь в работе и полезные консультации.

184 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.