Способ получения ионных потоков

Способ получения ионных потоков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к as т, св ид-в у (22) Заявлено 241072 (2<) 1838980/26-25 с присоединением заявки Мо (23) Приоритет

Опубликовано 15.06.80. Бюллетень Мо 22

Дата опубликования описания 18.0680

Н 01 J 39/00

Государственный комитет

СССР но дедам изобретений и открытий (S3) УДН 621. 394. 6 (088.8) (72) Автор изобретения

О.А. Лаврентьев (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИОННЫХ ПОТОКОВ

Изобретение относится к технике получения потоков заряженных частиц и может быть использовано в источниках ионов для обработки поверхностей ионным потоком, электростатического удержания плазмы, получения синтезированной плазмы и пр.

Известен способ получения ионных потоков, при котором в объеме источ- щ ника при давлении рабочего газа 10

10 мм рт.ст. зажигают высокочастотный разряд путем приложения высокочастотного поля к системе электродов стержень-диафрагма, при этом на диафрагму дополнительно прикладывают отрицательный потенциал относительно стержня.

Недостатком известного способа является высокое давление рабочего га- -О за, которое должно быть не ниже

10 з мм рт.ст., в противном случае ВЧ разряд не зажигается. Это ведрт к повышенному расходу газа и требует применения дополнительных средств откач=,щ ки. целью изобретения является снижение давления рабочего газа до 10 4

10 мм рт.ст. и уменьшение расхода рабочего газа.

ЗО

Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу между отражательным электродом из вещества с коэффициентом вторичной электронной эмиссии больше единицы и сеткой, находящейся под отрицательным потенциалом относительно этого электрода, прикладывают высокочастотное поле с такой частотой, соотношением между напряженностями электростатического и высокочастотного полей, что электроны вторичной эмиссии, стартующие с поверхности отражательного электрода в фазе ускоряющего электрического поля, через период колебания возвращаются на отражательный электрод в той же фазе с кинетической энергией, достаточной для выбивания новых порций электронов вторичной эмиссии, причем угловую частоту, начальную и конечную фазы ускорения электронов выбирают таким образом, чтобы электроны за ускоряющий период высокочастотного поля не могли достигнуть сет" ки.

Предлагаемый способ основывается на следующих явлениях. Пусть между плоским отражательным электродом из вещества с коэффициентом вторичной

464797 электронной эмиссии д у 1 и плоской сеткой, находящимися друг от друга на расстоянии d, приложено электростатическое поле напряженностью (минус на сетке) и высокочастотное поле E cosupt, где <> — круговая частота. Двйжение электрона, стартовавшего с поверхности отражательного электрода X = 0 в момент времени

0 с начальной скоростью Х (О)= О, может быть описано следующим дифференциальным уравнением

m < -ЕЕ„+ BE cos(wt-»>r ), (1)

oL X г где 6 — заряд электрона (абсолютное значение);

m — масса, а — начальная фаза, его решение удовлетворяет начальным условиям а)

Х =- —, ° t» "к sin (wt-d ) + s in и> mw

Х = -у — t + - (COSA — cos (wt -»>» )+ еЕо г еЕ, 2m mw

+ LUt s in@)

Для синхронного размножения за счет вторичной электронной эмиссии электрон через период колебания дол- . жен вернуться на поверхность отражательного электрода в той же фазе (X 0 при цс = 2»)»). Используя это условие, из уравнения (3) можно получить соотношение между напряженностью электростатического и высокочастотного поле

Ео (4)

Подставляя это соотношение в уравнение (1), из условия положительности правой части находят область фаз 40

d,, для которых электрон, испущенный поверхностью отражательного электрода, попадает в ускоряющее поле:

»- cosA 7 0

5!П»А

9 или 0 (o C, 1,27 радиан (5) 45

Скорость электрона при возвращении на поверхность отражательного электрода после периода колебания (Х = О, U>t = 2>))

2е Е . e Ео 2 >»

Х = — s i nr3 =- — — — (6)

mup m Ш т.е электрон набирает скорость, эквивалентную его ускорению в постоянном электростатическом поле E© за время одного периода колебаний. Ес- 55 ли эта скорость окажется достаточной для выбивания вторичных электронов с поверхности отражательного элект- . рода, то все новые и новые порции вторичных электронов будут поступать д в объем, пока не наступит ограничение по объемному заряду или по вводимой высокочастотной мощности.

Граница отражения электронного потока отрицательно заряженной сеткой находится из уравнений (2) и (3) при условиях:

x > o, х = o, u = р . (7)

Р .у — s i n r>r - ь» псА = s i n (P — А ) Е» 2 У >> - &

X = < sine». cos& макс rnw

cos (P-»> ) (8) Графическое исследование (7) при условии (5) дает для область допустимых углов 180 ()э 252 . Если, например, Ф = 57 >, то р = 225О, и.для границы отражения получается следующее выражение:

Х с» = 1,25 10 Е /f2 (9) (Х в см, Е в В/см, r- в Гц).

Чтобы электроны не касались сетки расстояние между электродами должно быть выбрано из условия

Ф ) Хмакс (»О)

Исследование уравйений движения для ионов проводится аналогичным образом. Оно показывает, что потери ионов на отражательном электроде незначительны и практически все образовавшиеся в результате ионизации рабочего газа электронами ионы ускоряются в направлении отрицательно заряженной сетки и могут быть выведены из источника. Поскольку разряд поддерживается за счет вторичной эмиссии с отражательного электрода, то он зажигается при любом низком давлении, роль рабочего газа сводится к пополнению убыли нейтральных частиц, которые ионизировались и в виде ионов покинули разрядную область.

На чертеже показана схема, реали.— зующая предлагаемый способ.

Б вакуумную камеру 1 с рабочим газом при давлении 10 — 10 " мм рт.ст. помещены два плоских параллельно расположенных один относительно другого электрода. Один из них, электрод 2, изготовлен из материала со вторичной электронной эмиссией больше единицы, второй электрод 3 выполнен в виде сетки. Между электродом и сеткой прикладывается статическое электрическое поле (минус на сетке) и высокочастотное поле, напряженности которых выбирают в соответствии с формулой (4). Абсолютная величина напряженности электрического поля должна быть достаточной для того, чтобы ускоренный в этом поле электрон мог выбить из электрода 2 вторичные электроны.

Расстояние между электродом и сеткой выбирают из условия Ф ) Хмекс гд

X находят путем совместного ремакс шения уравнений (7) и (8).

Возникающие в результате первичной ионизации нейтральных атомов (например, космическими лучами) электооны ускоряются электростатическим »»о484797

Формула изобретения

С а ический ол ежиж лем на электрод 2 и выбивают из него вторичные электроны.Так как коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, то число вторичных электронов превышает первичный поток.Те из электронов, которые попали в область благоприятной фазы, испытывают резонансное размножение и их число лавинообразно увеличивается, пока не наступает ограничение по объемному заряду, либо по вводимой мощности. Поток осцил- о лирующих электронов вызывает ионизацию рабочего газа, а ионы ускоряются в направлении отрицательно заряженной сетки.

Способ получения ионных потоков из высокочастотного разряда между электродом из вещества с коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы и сеткой, между которыми дополнительно наложено электростатическое поле, отличающийся тем, что, с целью снижения давления рабочего газа до 10 4 — 10 мм рт.ст. и уменьшение его расхода, соотношение между величиной электростатического поля Ео, амплитудой высокочастотного поля Е и начальной фазой ускорения электронов Ф устанавливают в соответствии с формулой Е„ = Е в) сМ3, а соотношение между угловой частотой ю, начальной фазой о(и конечной фазой ускорения электронов ф в соответствии с формулой

Е E„2 5- А

Щ )г (SIAM,+ COSA

mд 23

COS (P=+ ) где Р и m — заряд и масса электрона, d — заданное расстояние между электродом и сеткой.

ЦНИИПИ Заказ 4286/53

Тираж 844 Подписное

Филиал ППП Патент, ° г,ужгород,ул.Проектная,4