Енергоефективне джерело іонів

Енергоефективне джерело іонів, що включає діелектричну розрядну камеру з підключеним до джерела ВЧ напруги через розділовий конденса 3 причому енергетична ефективність джерела іонів підтримується максимально можливою в усьому цьому діапазоні. Технічна задача вирішується тим, що потенціальний електрод складений з нерухомої і рухомої частини та виконаний з можливістю зміни його площі S1 завдяки пересуванню його рухомої частини, причому максимальній енергетичній ефективності відповідає положення рухомої частини потенціального електроду, коли S1= S2(j+ 1,5), де j амплітуда ВЧ напруги на потенціальному електроді у кіловольтах. Технічний результат, що може бути одержаний при здійснені корисної моделі, полягає у забезпеченні максимальної енергетичної ефективності джерела іонів для будь якої амплітуди високочастотної напруги, що подається на потенціальний електрод, в діапазоні амплітуд від 100 до 1000 В. Причинно-наслідковий зв'язок геометричних розмірів електродів джерела іонів і його енергетичній ефективності можна пояснити розглядом енергетичного балансу для комбінованого ВЧ індукційно-ємнісного розряду [3]. Прикладений між двома електродами ВЧ потенціал, залежно від відношення площ електродів перерозподіляється між двома приелектродними шарами, що приводить до зміни розподілу ВЧ потужності між потоками частинок на поверхні потенціального та емісійного електродів і витратами на іонізацію в області квазінейтральної плазми. У випадку низького тиску, коли для струму позитивних іонів у ВЧ приелектродних шарах виконується закон "ступеня 3/2" і відношення напруг між плазмою і електродами зворотно пропорційне відношенню четвертого ступеня їх площ, виконується наступний вираз для Р1- потужності, що витрачається на прискорення іонів в іонно-оптичній системі. é d4 ù 1 P0 d (d 2 - d + 1) P= × j + j pl ú , де g (d ) = . 1 ê 4 1+ d 4 h + g (d ) ×j ë1 + d û 1+ d У формулах позначено: d= S1/S2 - відношення площ ВЧ електродів (d>1), j- амплітуда ВЧ напруги між електродами; jpl - поправка, що враховує ненульовий потенціал плазми у відсутності потенціала на електродах, h - енергетична ціна іона, Р0 сумарна споживана розрядом ВЧ потужність. Р1 можна розцінювати як корисну частину потужності, що підводиться, а її відношення до сумарної потужності, що поглинається розрядом, як енергетичну ефективність або ККД системи. Залежність потужності Р1 від величини d має максимум, положення якого залежить від амплітуди ВЧ напруги j, тобто для кожного значення j існує оптимальне значення d, при якому ККД максимальний. У діапазоні від 100 до 1000 В залежність оптимального співвідношення площ електродів dopt від величини j можна апроксимувати формулою dopt = j + 1,5 (j виражається в кіловольтах), похибка якої у вказаному діапазоні не перевищує 5%. Ця формула може бути безпосередньо використана для вибору геометричних розмірів електродів джерела іонів відповідно до прискорюючої напруги. Задавшись потрібною величиною j (при j>50В та d>1.5 амплітуда ВЧ напруги j практично співпадає з прискорюючою на 42072 4 пругою), з її допомогою можна знайти оптимальне співвідношення площ електродів. Схема енергоефективного джерела іонів представлена на малюнку. Корисна модель включає діелектричну розрядну камеру 1 циліндричної форми, ВЧ індуктор 2, що охоплює камеру зовні, потенціальний електрод, виконаний у вигляді нерухомої частини 4 і рухомої частини 7 з вакуумним ущільнювачем 8, заземлений електрод-сітку 6, що відокремлює об'єм камери від області транспортування пучка. Потенціальний електрод підключений до ВЧ генератора 3 через розділовий конденсатор 5. ВЧ генератор, що живить індуктор на малюнку не показаний. Джерело працює таким чином: Перед включенням пристрою, відповідно до необхідної прискорюючої напруги, проводять установку оптимальної величини співвідношення площ електродів шляхом подовжнього переміщення рухомої частини 7 потенціального електрода. Після цього проводиться відкачування ГРК 1, напуск робочого газу і створення плазми шляхом подачі ВЧ напруги на індуктор 2 від ВЧ генератора. Потім від ВЧ генератора 3 через ємність 5 подається ВЧ напруга заданої амплітуди між потенціальним електродом 47 і заземленим електродом-сіткою 6. Оскільки площа електрода-сітки менше площі потенціального електрода, основне падіння потенціалу, приблизно рівне амплітуді ВЧ напруги на потенціальному електроді, зосереджено в шарі біля поверхні електрода-сітки. Іони, прискорені з плазми у напрямку сітки до енергії, обумовленої падінням стаціонарного потенціалу в шарі, проходять через отвори в сітці 6 у вигляді паралельного пучка іонів. Остаточне підстроювання площі потенціального електрода проводять при фіксованих споживаній ВЧ потужності і амплітуді напруги j по максимуму щільності іонного струму або швидкості травлення зразків. Проводилися випробування експериментального пристрою, який було виконано відповідно до корисної моделі, з ГРК діаметром 200 мм і довжиною 100 мм та двохвитковим індуктором, підключеним до ВЧ генератора з частотою 13,56 МГц і потужністю до 1 кВт. Площа електрода-сітки складала 250 см2, геометрична прозорість 40 %. Потенціальний електрод було виготовлено у вигляді охолоджуваного нерухомого фланця і рухомої циліндричної частини діаметром 100 мм. За рахунок зміни довжини частини рухомого електрода, введеної в плазму, можна було змінювати сумарну площу потенціального електрода від 300 до 500 см . Струм пучка іонів вимірювався на мішені діаметром 300 мм, розташованої на відстані 250 мм від джерела іонів. Робочим газом служив аргон під тиском в ГРК 10-3 Торр. При сумарній ВЧ потужності 700 Вт і ВЧ напрузі на потенціальному електроді 200 В струм іонів на мішень змінювався в межах 400-700 мА, залежно від довжини рухомої частини потенціального електрода, а при його площі 430 см2 було досягнуте максимальне значення 700 мА. Це відповідає приведеному вище виразу. Джерела інформації: 1. А.С. № 1144548, СССР, опуб. 08.11.1984; 5 42072 2. А.С. № 1570549, СССР, МПК6 H01J27/16, опуб. 20.03.1995. 3. Дудин СВ., Зыков А.В., Положий К.И. Оптимизация распылительных систем на базе комби Комп’ютерна верстка І.Скворцова 6 нированного индукционно-емкостного ВЧ разряда // Письма в ЖТФ. - 1996, т. 22, в. 19, С. 54-59. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601