Объявление о предстоящей защите диссертации
advertisement
УДК 537.533 На правах рукописи Климов Александр Сергеевич ФОРВАКУУМНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЛЕНТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ТОКА НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПРОТЯЖЕННЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ 01.04.04 – Физическая электроника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ТОМСК – 2009 Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бурдовицин Виктор Алексеевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Николай Николаевич Коваль (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск); доктор технических наук, профессор Павел Ефимович Троян (ТУСУР, г. Томск). Ведущая организация: ГОУ ВПО «ТПУ» «НИИ ядерной физики» (г. Томск) Защита состоится 3 ноября 2009 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, 634050, г. Томск, пр. Ленина 40, ауд. 203. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Автореферат разослан «____ » ____________ 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета Ю.П. Акулиничев 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Повышение производительности установок, предназначенных для электронно-лучевой обработки больших поверхностей, требует создания источников пучков большого сечения, в частности пучков ленточной конфигурации. Среди подобных источников особый интерес представляют устройства, способные генерировать пучок в условиях предварительного вакуума или форвакуума, достигаемого использованием лишь механических средств откачки. В проведенных ранее исследованиях была показана принципиальная возможность создания источника ленточного электронного пучка способного функционировать в форвакуумной области давлений (1 – 15 Па). Было установлено, что в этой области давлений однородность ленточного электронного пучка, формируемого плазменным источником электронов, определяется не только процессами генерации эмиссионной плазмы, но и влиянием обратного потока ионов, образованных в ускоряющем промежутке и области транспортировки электронного пучка. Между ионным потоком и плотностью эмиссионной плазмы существует положительная обратная связь, многократно усиливающая локальную неоднородность эмиссионного тока. На основе проведенных исследований был создан не имеющий аналогов простой и надежный электронный источник с плазменным катодом, который в форвакуумном диапазоне давлений позволяет получать электронный пучок ленточной конфигурации со стабильными параметрами. Формирование пучка осуществляется за счет эмиссии электронов из разряда с полым катодом в остаточной атмосфере вакуумной камеры без использования напуска газа и системы дифференциальной откачки. На базе разработанного источника реализован так называемый плазменно-пучковый разряд, а также показана возможность применения такого генератора плазмы в технологии осаждения покрытий. Несмотря на то, что сам факт генерации ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений представляет собой «прорыв» в развитии плазменной эмиссионной электроники, достигнутые плотности тока пучка (10 мА/см2), оказались все же недостаточными для ряда принципиальных применений. Это делает задачу поиска путей увеличения плотности тока ленточного электронного пучка, генерируемого в форвакуумной области давлений, актуальной как в физическом аспекте, так и с точки зрения практического использования таких электронных пучков. Цель работы состояла в проведении комплекса исследований, направленных на повышение плотности тока, генерируемого плазменным источником ленточного пучка электронов в форвакуумной области давлений. В задачу работы также входила модернизация на основе проведенных исследований существующего источника электронов для обеспечения в ленточном электронном пучке плотности тока не менее 0,1 А/см2, достаточной для поверхностной обработки и плавки ряда материалов. 3 Научная новизна работы заключается в том, что: 1. Установлено, что для источников ленточных электронных пучков на основе разряда с полым катодом, функционирующих в форвакуумной области давлений, повышение плотности тока пучка путем уменьшения ширины выходной щели катодной полости имеет ограничение, связанное с возникновением неустойчивости токопрохождения в разрядном промежутке. Данная неустойчивость оказывает влияние на однородность плазмы в области эмиссии электронов и, соответственно, нарушает равномерность распределения плотности тока пучка по его сечению. 2. Предложена и исследована разрядная система с составной катодной полостью, обеспечивающая в форвакуумном плазменном источнике резкое увеличение плотности тока ленточного пучка электронов при сохранении высокой степени его линейной однородности. 3. Показано, что для форвакуумных плазменных источников электронов плазма, образующаяся в области транспортировки электронного пучка, обеспечивает практически полную нейтрализацию зарядки изолированной мишени электронным пучком, открывая тем самым возможность непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов. Научная и практическая ценность работы. 1. Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий в форвакуумной области давлений (1 – 15 Па) генерацию ленточного электронного пучка с током до 800 мА, энергией до 10 кэВ и плотностью эмиссионного тока до 0,2 А/см2. 2. Существенно расширен диапазон возможных технологических применений плазменных электронных источников, в частности, показана возможность использования разработанного устройства для электронно-лучевой плавки, сварки и размерной обработки высокотемпературных диэлектриков. 3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в других устройствах, имеющих аналогичные разрядные структуры и функционирующих в области повышенных давлений, а именно: в ионно-плазменных напылительных установках, генераторах низкотемпературной плазмы, источниках ионов. Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием различных экспериментальных методик, сопоставлением экспериментальных результатов и численных оценок, а также практической реализацией научных положений и выводов при создании источников электронов. На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Для плазменных источников ленточных пучков электронов, функционирующих в форвакуумной области давлений, повышение плотности тока пучка путем уменьшения ширины выходной апертуры катодной полости имеет ограничение, связанное с возникновением неустойчивости токопрохождения в 4 разрядном промежутке, обусловленной самопроизвольным локальным раскрытием ионных оболочек в апертуре полости и возникновением так называемых «струйных структур тока», приводящих к резкому нарушению однородности концентрации плазмы вблизи эмиссионной поверхности, а, следовательно, и к существенной неравномерности распределения плотности тока пучка по его сечению. 2. Разрядная система с составной катодной полостью, образованной из двух прямоугольных частей различной ширины, с выходной апертурой в широкой части обеспечивает в форвакуумном плазменном источнике ленточного пучка электронов подавление неустойчивости разрядного тока и, соответственно, увеличение плотности тока пучка при сохранении высокой степени его линейной однородности. Положительный эффект обусловлен взаимовлиянием двух областей катодной полости, в результате которого плазма из расширенной катодной полости проникает в сужение, а поток электронов из узкой части полости, в свою очередь, вызывает появление осевого максимума в поперечном распределении плазмы в области эмиссии электронов и формирования электронного пучка. 3. Плазменный источник электронов на основе разряда с неоднородным протяженным полым катодом обеспечивает при давлении газа 5 – 15 Па генерацию непрерывного электронного пучка ленточной конфигурации сечением 10×0,4 см2 с плотностью тока до 0,2 А/см2 и энергией до 10 кэВ. Образующаяся в области транспортировки электронного пучка плазма обеспечивает практически полную нейтрализацию зарядки изолированной мишени, обеспечивая тем самым возможность непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов. Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на XIV и XV Международных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2006 г. и 2008 г.), на 34 Международной конференции по физике плазмы (ICOPS, 2007, New Mexico, USA), на 10 Международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007 г.), на III Международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ, 23-30 июня 2009 г.), на Международных научнопрактических конференциях «Электронные средства и системы управления» (Томск, Россия, 2006г., 2007г.), на 13-ой и 14-ой Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых “Современная техника и технологии” (Томск, 2007 г., 2008 г.), на XI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (Томск, 2008 г.), на Всероссийской научнотехнической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2006 г., 2007 г., 2008 г.). Личный вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик эксперимента, проведении исследований и анализе их результатов. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводилось совместно с соавторами, фами5 лии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации, на основании которых разработана конструкция источника электронов с ленточной конфигурацией пучка. Окончательная редакция защищаемых научных положений и выводов по работе осуществлялась совместно с научными руководителями при активном творческом участии соискателя. Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 19 работ, включая 5 статей в реферируемых журналах, 9 полных текстов докладов на Международных конференциях. Структура диссертации. Диссертация содержит 108 страниц машинописного текста, 82 иллюстрации, список цитируемой литературы из 95 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновываются актуальность, цель, научная новизна, научная и практическая ценность работы. Излагается краткое содержание диссертации, формулируются выносимые на защиту научные положения. Первая глава “Плазменные источники электронов, формирующие пучки большого сечения при повышенных давлениях” носит обзорный характер и посвящена анализу известных из литературы сведений об особенностях формирования однородной протяженной плазменной границы для получения пучка ленточной конфигурации, а также описаны основные параметры, влияющие на плотность эмиссионного тока. Рассмотрены особенности формирования пучков большого сечения в форвакуумной области давлений. Большое внимание уделено рассмотрению основных видов неустойчивостей наблюдающихся в разрядах низкого давления. Несмотря на многообразие источников электронных пучков с большим поперечным сечением, практически отсутствуют устройства, обеспечивающие генерацию пучков в форвакуумной области давлений с плотностью тока достаточной для осуществления термической обработки поверхности. В то же время разработка конструкции источника, способного генерировать ленточный электронный пучок с плотностью тока уровня 100 мА/см2, позволила бы успешно применить его для широкого круга новых технологических задач с использованием электронных пучков. В заключение главы сформулированы задачи исследований. Вторая глава “Неустойчивости в разрядной системе с протяженным полым катодом форвакуумного плазменного источника электронов” посвящена вопросам получения однородной протяженной плазмы с повышенной плотностью в разряде с полым катодом в форвакуумном диапазоне давлений. Описан экспериментальный макет плазменного эмиттера электронов на основе разряда с полым катодом, специально созданный для генерации непрерывного ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений (Рис. 1). Рассмотрено влияние геометрических размеров выходных апертур катодной 6 полости и анода на образование неустойчивостей в распределении концентрации эмитирующей плазмы. Показано, что при In уменьшении ширины щели в 4 апертуре катодной полости 1 Id – разряд испытывает существенU 7 + d ную перестройку. На фоне од5 нородного по длине катодной L Ia – U апертуры разряда наблюдаются d 2 + a h одно или несколько ярко све6 тящихся локальных областей с 3 повышенной плотностью плазмы (рис. 2). Причем поло8 жение этих областей может скачкообразно изменяться с Y Z V Up течением времени. Увеличение X разрядного тока приводит к R1 расширению областей неодноV родности плазмы, и при токах более 1 А неустойчивости и R2 неоднородности наблюдались Рисунок 1 – Схема экспериментального мана всем протяжении апертуры кета форвакуумного плазменного источника катодной полости. Было усталенточного электронного пучка: 1 – полый новлено, что локальный маккатод; 2 – анод; 3 – ускоряющий электрод; симум проявляется лишь при 4 – медные вкладыши; 5, 6 – изоляторы; 7 – условии, что ширина катодной зонд; 8 – перемещаемый коллектор. апертуры становится меньше некоторого значения, определяемого, в первую очередь, разрядным током. Увеличение разрядного тока приводило к возрастанию концентрации плазмы за пределами области неоднородности. При некоторых значениях разрядного тока локальный максимум концентрации становился практически Рисунок 2 – Свечение плазмы в щелевиднезаметным. Яркое свечение в ной апертуре катодной полости. (Ток разэтом случае практически равряда Id=400 мА, давление 6 Па, размеры номерно распространялось на выходной апертуры катодной полости 2 всю длину катодной полости. 7×300 мм ). Уменьшение объема и, соответственно, площади стенок катодной полости, достигаемое уменьшением высоты h (Рис.1), приводит к тому, что пороговый разрядный ток, при котором исчезает локальный максимум, снижается. Пороговый ток снижается также с 7 Idm, A увеличением ширины щели в апертуре катодной полости и возрастанием давления (Рис. 3). Предложен механизм образования неустойчивостей, ба1,4 зирующийся на представлении 1 о самопроизвольном «стягива1,2 2 нии» разряда в локальную об3 1,0 ласть. Последовательность явлений может быть следующей. 0,8 При малых разрядных токах и, следовательно, низких концен0,6 трациях плазмы щель в аперту0,4 ре катодной полости оказывается перекрытой ионными сло0,2 ями. Случайное отклонение от установившегося значения 6 7 8 9 10 концентрации или потенциала b, мм плазмы, приводящее к уменьРисунок 3 – Зависимость разрядного тока шению толщины ионных слоев, Idm, при котором исчезает неоднородность, вызывает рост электронного от ширины b щели для различных давлений: тока в этой области, влекущий 1 – 10 Па, 2 – 6 Па, 3 – 4 Па. за собой повышение интенсивности ионизационных процессов и, следовательно, концентрации плазмы. Это приводит к дальнейшему уменьшению толщины ионных слоев. Процесс развивается лавинообразно и заканчивается формированием локальной области, обеспечивающей прохождение практически всего электронного тока. Увеличение разрядного тока вызывает возрастание концентрации плазмы и раскрытие ионных оболочек за пределами локальной области, что и приводит к изменению характера распределения концентрации плазмы по длине полости. Очевидно также, что уменьшение площади стенок полости при сохранении разрядного тока означает возрастание концентрации плазмы, что и проявляется в снижении порогового тока (Рис. 3). Для исключения влияния ионных слоев в апертуре катодной полости было предложено использовать нитевидный анод, расположенный внутри полости. Впервые размещение такого анода было использовано Гавриловым Н.В.1 (Институт электрофизики УрО РАН) для облегчения условий инициирования разряда. Проблема зажигания разряда для форвакуумного плазменного источника электронов не является первоочередной, тем не менее, присутствие в катодной полости дополнительного анода может оказать влияние на распределение плотности плазмы, благоприятствующее повышению ее плотности вблизи эмиссионной поверхности. В экспериментальном макете (рис. 1) внутрь катодной полости на керамических держателях устанавливался дополнительный нитевидный анод. Этот 1 Гаврилов Н.В., Осипов В.В. и др. // Письма в ЖТФ, 2005.-Т.31.-Вып.3. – С.72-78. 8 n, 10 16 м -3 электрод электрически соединялся с основным анодом напрямую или через переменный резистор (10 -130 Ом), номинал которого определял распределение токов разряда между двумя анодами. Как и ожидалось, размещение внутри катодной полости дополнительного анода облегчало зажигание разряда и повышало стабильность его горения. Но в данном случае месторасположение нитевидного анода, степень его удаленности от выходной щели оказывало также влияние на величину плотности плазмы вблизи в области токоотбора. При приближении дополнительного нитевидного анода к апертуре катодной полости концентрация плазмы увеличивалась. Равномерность же распределения ne вдоль катодной полости оказалась зависящей от удаленности дополнительного анода от выходной апертуры катода. Оптимальное положение дополнительного анода в катодной полости, при котором концентрация плазмы вблизи ее эмиссионной поверхности максимальна, достигалось при удалении дополнительного анода от апертуры катода на расстояние lопт =13. При дальнейшем приближении (l < lопт) возникали неустойчивости и неоднородности в распределении концентрации плазмы. Размещение дополнительного анода в катодной полости позволяет части электронного тока замкнуться на этот анод. Очевидно, что в случае, когда площадь анода значительно меньше площади стенок катодной полости, плазма оказывается неоднородной по плотности, и вблизи анода ее концентрация повышается. Это и объясняет увеличение концентрации плазмы в апертуре полости при приближении к ней дополнительного анода (рис. 4). Попытки изменить распределение токов между анодами установкой между ними резистора неизменно приводило к образованию в 3 пучке одной или нескольких струй в момент, когда величина тока на основной анод становилась равной или больше 10% от 2 тока разряда (рис. 5), эффективность при этом приближалась к 100%. 1 1 Полученные результаты 2 находят свое объяснение в рам3 ках представлений об ионном 0 слое, отделяющем плазму от 0 5 10 15 20 25 y, см 30 стенок катодной полости. В случае, когда толщина слоя Рисунок 4 – Распределение концентрации сравнима с шириной щелевидплазмы для различных расстояний от ниной апертуры эта апертура окатевидного анода до выходной щели в казывается полностью перекрыта тодной полости: 1 – 20 мм, 2 – 13 мм, 3 – слоями. 32 мм. Ток разряда 0,4 А. Давление 8 Па. 9 Приближение дополнительного анода к выходной апертуре 500 катодной полости приводит к возрастанию концентрации вблизи 400 выходной апертуры катода, ло300 кальному раскрытию ионных оболочек, увеличению плотности 200 электронного тока, снижению 100 концентрации нейтральных атомов, возрастанию температуры 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Ia/Id электронов и дальнейшему увеличению локальной концентрации Рисунок 5 – Ток пучка в зависимости от плазмы вследствие возрастания отношения тока дополнительного анода интенсивности ионизации газа к току разряда (Ia/Id) для токов разряда: 1 плазменными электронами. – 300 мА, 2 – 400 мА, 3 – 500 мА. ШириТретья глава “Формирована апертуры катодной полости 8 мм, ние в форвакуумной области давдавление 6 Па, ускоряющее напряжение лений ленточного электронного Uа=4.5 кВ. пучка при извлечении электронов из разряда с протяженным полым катодом” содержит результаты исследования возможности повышения плотности эмиссионного тока в форвакуумном ленточном электронном пучке, основанной на использовании составной катодной полости. Для проведения исследований использовался модернизированный экспериментальный макет форвакуумного плазменного источника ленточных электронных пучков (рис. 1). Модернизация заключалась в расположении внутри катодной полости медных вкладышей 4 (рис. 1), что позволило изменять ширину d и глубину L верхней части полости. Вставки в катодную полость были электрически изолированы от стенок катодной полости с помо1 700 2 щью прокладок из прессованной 3 650 слюды. Таким образом, формиро4 вался составной полый катод, пред600 ставляющий собой в поперечном сечении комбинацию двух прямо550 угольных секций различной шири500 ны, названных условно «узкой» и «широкой». 450 Экспериментально установ0 200 400 600 800 1000 Id, мА лено, что свойства разряда с составной катодной полостью отлиРисунок 6 – Вольтамперные характечаются от аналогичных свойств ристики разряда для полостей с разразряда с однородной полостью – личной шириной d узкой части: 1 – полым катодом прямоугольного сеd = 40 мм, 2 – d = 12 мм, 3 – d = 14мм, чения. Отличия проявились как в 4 – d = 16 мм, давление 6 Па. вольтамперных характеристиках 1 2 3 Ud, В Ie, мА 600 10 n/nmax Ind, Iwd (ВАХ), так и в параметрах газоразрядной плазмы. ВАХ разряда с однородной полостью монотонна (рис. 6 кривая 1). Для составной же полости существует участок скачкообразного снижения напряжения горения и роста тока разряда (рис. 6 кривые 2, 3). Значения пороговых токов, 0,8 при превышении которых происходит скачкообразный рост, 0,7 определяются давлением газа и 0,6 шириной узкой части полости. 1 Чем ниже давление и меньше 0,5 2 ширина узкой части полости, тем 0,4 больше пороговый ток. Соотношение между токами Ind и Iwd 0,3 (рис. 7), приходящимися на уз0,2 кую и широкую части полости, 200 400 600 800 I , мА соответственно, указывает на то, d что большая доля приходится Рисунок 7 – Отношения токов на широименно на узкую часть. кую Iwd (1) и узкую Ind (2) части катодной Пространственные распреполости к току разряда Id. Давление 5 Па, деления параметров плазмы ширина узкой части полости d = 16 мм. представлены зависимостями n(x), нормированными на максимальное значение и измеренными для разных значений координаты z (рис. 8). В однородной полости n(x) представляется плавной кривой (рис. 8, кривая 1). Для составной полости, для токов, меньших пороговых, кривая n(x) по форме такая же, как и для однородной полости. Для разрядных токов, превышающих пороговые, в непосредственной близости от границы двух частей полости 1 кривая n(x) имеет отчетливо вы1,0 раженный максимум, ширина ко2 0,8 торого примерно равна ширине 3 узкой части полости (рис. 8, кри0,6 4 вая 2). Этот максимум расширяется и понижается с уменьшени0,4 ем z (рис. 8, кривая 3). Значения 0,2 концентрации в максимуме превышают аналогичные величины 0,0 для однородной полости в 1,5 – 2 0 1 2 3 4 раза при тех же значениях разX, см рядного тока и зависят от геометРисунок 8 – Поперечное распределение рических размеров узкой секции концентрации плазмы n в однородной составной катодной полости. катодной полости (1), и в составной поУвеличение длины L до 45 мм лости на расстояниях z от границы развызывало повышение максимальдела секций: 2 – 0 см, 3 – 1 см. Кривая 4 ной концентрации плазмы. Даль– расчет. Ток разряда Id = 0.8 А, нейшее удлинение узкой секции d = 16 мм, P = 8 Па. 11 j, мА/см 2 p , В 16 n, 10 м -3 оказалось нецелесообразным, поскольку заметно затрудняло зажигание и поддержание разряда. Характер изменения концентрации от ширины d узкой части является немонотонным с максимумом при d =16 мм, что составляет 40% от ширины всего катода. Для выяснения характера 0 перераспределения плазмы меж12 -2 ду двумя частями полости были 10 проведены измерения концен-4 1 трации и потенциала плазмы 2 -6 8 термоэмиссионным зондом вдоль 3 -8 4 6 оси z в срединной плоскости ка-10 тодной полости (рис. 9). Эти из4 -12 мерения показали значительный -14 2 рост концентрации и спад потенциала по мере углубления в уз0 1 2 3 4 5 6 7 8 кую часть полости. При этом не Z, см Рисунок 9 – Концентрация n (1, 3) и поудалось обнаружить локального тенциал p (2, 4) плазмы в зависимости от скачка потенциала, который характерен для образования двойкоординаты z в составной (1, 2) (при ного электростатического слоя на d = 16 мм) и однородной (3, 4) полости. границе сужения полости. Ток разряда Id = 0,8 A, давление P = 6 Пa. Расчет пространственного распределения параметров плазмы произведен путем решения уравнений непрерывности и баланса заряженных частиц, с учетом как диффузионной, так и дрейфовой составляющей токов. Взаимодействие секций полости учтено поступлением электронов из узкой секции в широкую и противоположным потоком ионов. Результат решения иллюстрируется кривой 4 (рис. 8), совпадающей по форме с экспериментальными зависимостями. Это может 1 35 служить дополнительным сви2 30 детельством правильности 3 25 представлений о процессах в 4 составной катодной полости. 20 Использование составной 15 катодной полости существенно 10 изменило не только характер распределения концентрации 5 плазмы в катодной полости, но 0 и величину извлекаемого эмис0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 X, см сионного тока (рис. 10). Причем Рисунок 10 – Распределение плотности повышение этой величины до тока j по толщине пучка для токов разря35 мA/см2 было достигнуто без да Id = 0,1 A (1, 2) и 0,8 A (3, 4) для однонарушения однородности пучка родной (1, 3) и составной (2, 4) полости с по координате y, т.е. по ширине размером d = 16 мм. Давление P = 6 Па, пучка. ускоряющее напряжение Ua = 2 кВ. 12 Полученные результаты могут быть объяснены с использованием представлений о двух режимах горения разряда в составной катодной полости. При относительно малых значениях токов и, соответственно, низких концентрациях плазмы разряд существует лишь в широкой части катодной полости, поскольку катодные слои перекрывают сужение полости, и плазма не имеет возможности проникновения в узкую ее часть. Увеличение разрядного тока внешними регулировками позволяет достичь момента, при котором происходит разрыв катодных оболочек, и плазма проникает в узкую часть полости. Условие проникновения записывается в виде 0 2U c 3 d lc 4 2 , (1) 2 en kTe где d –ширина узкой части катодной полости, lс – протяженность катодного слоя, n и Te - концентрация и электронная температура плазмы, Uс – катодное падение потенциала. Подставляя полученные в измерениях параметры плазмы и разряда для порогового тока, получаем lc ≈ 0,5 см, что в целом удовлетворяет условию (1). Скачкообразный рост тока наряду со снижением разрядного напряжения (рис. 6), а также перераспределение тока между частями полости (рис.7) таким образом, что большая доля катодного компонента тока разряда замыкается на узкую часть, однозначно свидетельствует о том, что в разрядной системе с неоднородным полым катодом реализуются условия для более эффективной ионизации. Результат оказывается несколько неожиданным, если отметить, что в случае, когда вся полость имеет одинаковую ширину, равную ширине узкой части, в рабочем диапазоне давлений разряд в стабильной форме поддерживать не удается из-за возникновения неустойчивых неоднородностей распределения плазмы по длине полости. Наблюдаемое переключение большей доли разрядного тока на узкую часть полости обеспечивает увеличение концентрации плазмы в пределах этой части. 2 j, мА/см Дальнейшее увеличение 200 плотности тока ленточного электронного пучка базируется на распространенном способе – 100 увеличении разрядного тока. Обеспечить повышение концентрации плазмы при неизменном 0,6 разрядном токе можно, умень0 2 шив площадь электродов раз0,4 X, см 4 6 0,2 рядной системы. Результаты из8 10 0 мерения распределения плотноY, см сти тока по поперечному сечению пучка в катодной полости с Рисунок 11 – Распределение плотности длиной, уменьшенной с 28 см до тока пучка для укороченной катодной по10 см и щелевидной апертурой лости, ток разряда 700 мА, ускоряющее 0,5 см показаны на рис. 11. При напряжение 4 кВ, давление 10 Па. 13 токе разряда, не превышающем одного ампера, удалось поднять плотность тока в пучке до 200 мА/см2, что в несколько раз превысило ранее достигнутый уровень. Понятно, что при этом пришлось уменьшить ширину электронного пучка. Однако, такая связь между плотностью тока и размерами поперечного сечения пучка является, по-видимому, отражением объективных свойств систем, использующих в качестве эмиссионной среды плазму тлеющего разряда вообще и разряда с полым катодом, в частности. Четвертая глава “Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодом” посвящена описанию конструктивных особенностей модернизированного на основании исследований форвакуумного плазменного источника электронов, представлены его параметры и характеристики, а также приведены некоторые его применения. Модернизация конструкции плазменного источника ленточного пучка электронов предназначенного для работы в форвакуумном диапазоне давлений, осуществлялась главным образом с целью повышения плотности тока электронного пучка, обеспечивающего возможность реализации ряда принципиально новых применений. Изменения в конструкции заключались в размещении внутри катодной полости специально изготовленных вкладышей, комбинация которых позволяла изменять глубину и ширину узкой части катода. Протяженность катодной полости была уменьшена до 10 см. Эксплуатационные характеристики источника представлены в таблице 1. Таблица 1. Эксплуатационные параметры источника. Режим работы непрерывный Напряжение разряда до 1 кВ Ток разряда до 1 А Ускоряющее напряжение до 10 кВ Ток пучка до 800 мА Размеры пучка в поперечном сечении 1004 мм2 Максимально достигаемая мощность электронного пучка 8 кВт Плотность тока 200 мА/см2 Рабочий газ остаточная атмосфера, гелий, воздух, метан, аргон и др. Давление рабочего газа 5 – 15 Па 14 -40 1 2 -50 f, Â -60 -70 -80 -90 -100 3 4 5 6 7 8 9 10 p, Ï 11 à Рисунок 12 – Зависимость потенциала изолированной мишени φf от давления p для токов пучка Ib: 1 – 380 мА, 2 – 550 мА. Ускоряющее напряжение 3 кВ. Электронный пучок Кварцевая пластинка Рисунок 13 – Воздействие электронного пучка на диэлектрик. Ускоряющее напряжение 4 кВ, ток пучка 0,3 А, давление 8 Па. 1см 1см Рисунок 14 – Керамические трубки на основе талькошамотной массы до и после электронно-лучевой обработки. Ускоряющее напряжение 4 кВ, ток пучка 0,2 А, давление 8 Па. 15 Источник способен обеспечивать стабильные параметры электронного пучка в условиях “грязного” вакуума. Он сохраняет работоспособность при воздействии паров металлов и химически активных газов при недостижимых для других источников давлениях. Экспериментально установлено, что использование плазменного источника электронного пучка в форвакуумном режиме позволило избежать накопления заряда на изолированной мишени, помещенной на пути распространения пучка, и снижения ее потенциала (рис. 12). Полученные плотности эмиссионного тока обусловили возможность использования источника электронов для электронно-лучевой обработки (плавки, сварки, размерной обработки) непроводящих материалов: стекла, кварца, керамики. При работе плазменного источника электронов в форвакуумной области давлений воздействие ускоренного ленточного электронного пучка на кварц приводило к локальному плавлению материала в зоне воздействия пучка. Визуальные наблюдения при этом не обнаружили какоголибо отклонения траектории электронного пучка (рис. 13). Использование ленточного электронного пучка для сварки керамических трубок позволило избежать перенапряжений в образцах за счет прогрева и сварки сразу большой области шва. На рис. 14 показаны образцы керамики после сварки. Специально проведенные испытания показали, что сварной шов в этой керамике оказался вакуумно-плотным для давлений до 0,001 Пa. В результате испытаний на разрыв получены прочности от 15 до 30 MПa. Аналогичные измерения для исходной керамики дали значения 40÷50 MПa. В заключении изложены основные результаты работы: 1. Установлено, что в плазменном источнике электронов на основе разряда с протяженным полым катодом, генерирующим ленточный пучок в форвакуумном диапазоне давлений, при уменьшении ширины выходной щели катодной полости до величины, когда отношение площади щели к площади стенок полости достигает некоторого критического значения, возникает неустойчивость, связанная с резким повышением плотности плазмы в локальной области вдоль катодной щели и обусловливающая возрастание неоднородности распределения плотности тока пучка, проявляющейся в виде так называемых «эмиссионных струй». Определено, что вероятной причиной возникновения этой неустойчивости является лавинообразное раскрытие ионных оболочек в локальной области щелевидной апертуре катодной полости, сопровождающееся «стягиванием» разряда и ростом концентрации плазмы в области локализации. 2. Возникновение неустойчивости токопрохождения в катодной полости разрядной системы форвакуумного плазменного источника электронов может быть затруднено размещением внутри полости дополнительного нитевидного анода. Однако наличие дополнительного анода обеспечивает равномерное горение разряда только при условии, когда практически весь разрядный ток замыкается на этот анод. В этом случае эффективность извлечения электронов из плазмы разряда снижается с 80–100% до 15–20%. Принудительное уменьшение доли тока разряда на дополнительный анод повышает эффективность извлечения электронов, но вновь приводит к появлению неустойчивости тока. 3. Применение в форвакуумном источнике ленточного электронного пучка разрядной системы с составным полым катодом позволяет повысить концентрацию плазмы вблизи эмиссионной границы без нарушения ее однородности по длине (продольному размеру) катодной полости. Это, в свою очередь, приводит к увеличению в 1.5–2 раза плотности электронного тока. Положительный эффект обусловлен взаимовлиянием двух областей катодной полости, в результате которого плазма из расширенной катодной полости проникает в сужение, а поток электронов из узкой части полости, в свою очередь, вызывает появление осевого максимума в поперечном распределении плазмы в области эмиссии электронов и формирования электронного пучка. 4. В результате проведенных исследований создан плазменный источник электронов на основе разряда с полым катодом, генерирующий при рабочих давлениях до 15 Па электронный пучок ленточной конфигурации с поперечным сечением 1004 мм2 с плотностью тока 0,2 А/см2, энергией до 10 кэВ и неоднородностью распределения плотности тока по сечению пучка не превышающей 10%. 5. Генерация плотной плазмы при транспортировке ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений обеспечивает практически полную компенсацию заряда, накапливаемого на изолированной мишени, что дает 16 принципиальную возможность обработки изолированных мишеней и высокотемпературных диэлектриков, без создания специальных условий для нейтрализации заряда пучка. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Климов А.С., Бурдовицин В.А., Окс Е.М. О возможности электроннолучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений. Письма в Журн. техн. физики. – 2009. Т. 35, вып. 11. – С. 61-66. 2. Климов А.С., Бурачевский Ю.А., Бурдовицин В.А., Окс Е.М. Использование разряда с неоднородным протяженным полым катодом для повышения плотности тока в форвакуумном плазменном источнике ленточного пучка электронов. Журн. техн. физики. – 2008. – Т. 78, Вып. 4. – С. 43-46. 3. Климов А.С., Бурачевский Ю.А., Бурдовицин В.А., Окс Е.М., Федоров М.В. Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника ленточного электронного пучка. Журн. техн. физики. – 2006, Вып. 76, №. 10. – С. 62-65. (эксперимент) 4. Климов А.С., Бурдовицин В.А., Окс Е.М. Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений. Изв. вузов. Физика. – 2007. – №6. – С. 3-10. (модель) 5. Климов А.С., Бурачевский Ю.А., Жирков И.С. Тлеющий разряд с неоднородным полым катодом для форвакуумных плазменных источников электронов. Доклады томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2008, 2(18), Ч. 2. – С. 53-58. 6. A.S. Klimov, V.A. Burdovitsin, E.M. Oks Fore-Pump Plasma Source of Ribbon Electron Beam with Raised Power Density and Some its Application 15th International Symposium on High Current Electronics: Proceedings. Tomsk: Publishing house of the IAO SB RAS. – 2008. – P. 26-28. 7. A. S. Klimov, V.A. Burdovitsin, Yu.A. Burachevsky, E.M. Oks. Ribbon electron beam with increased current density generated by plasma gun based on discharge with extended non uniform hollow cathode. Изв. вузов. Физика. – 2007. – №9. Приложение. – С. 110-114. 8. A. Klimov, E. Oks, A. Burdovitsin, Y. Burachevsky Ribbon beam electron gun based on discharge with extended hollow cathode Book of abstracts, 34 th international Conference on Plasma Science, 3P62, June 17-22, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA. – P. 392. 9. A. Klimov, V. Burdovitsin, Yu. Burachevsky, E. Oks, M. Fedorov Discharge localization in split aperture of extended hollow cathode. Изв. вузов. Физика. – 2006. – №8. Приложение. – С. 117-119. 10. V.A. Burdovitsin, Yu.A. Burachevsky, E.M. Oks , A.S. Klimov, A.V. Tjunkov. Ribbon beam generation by plasma cathode electron source. Electrotechnica & Electronica. – 2009. – 44, No. 5-6. – P. 198-200. 11. Климов А.С., Бурдовицин В.А., Окс Е.М. Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на 17 основе разряда с протяженным полым катодом. Труды III международного крейделевского семинара «Плазменная эмиссионная электроника». – Улан-Удэ, Россия, июнь 2009. – C. 105-111. 12. Климов А.С. О возможности применения электронного пучка для обработки диэлектрических материалов. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 24-28 марта 2008 г. Труды в 3-х т. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – Т.3. – С. 66-68. 13. Климов А.С., Степанов П.С. Влияние геометрии протяженного полого катода на параметры разряда и эмиссионные характеристики источника ленточного электронного пучка. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 26-30 марта 2007 г. Труды в 3-х т. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – Т.3. – С. 60-62. 14. Климов А.С. Полый катод сложной конфигурации в источнике ленточного электронного пучка. Доклады Международной научно-практической конференции: Электронные средства и системы управления (31 окт. – 3 ноябр. 2007 г.) – Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. В 2 ч. Ч. 2. – С. 5-7. 15. Климов А.С. О неоднородности распределения плотности плазмы в протяженном полом катоде. Доклады Международной научно-практической конференции: Электронные средства и системы управления (12 – 14 октября. 2005 г.) Томск: Издательство Института Оптики атмосферы СО РАН. – 2005. В 2 ч. Ч. 2. – С. 34-36. 16. Климов А.С., Барков А.В. Электронно-лучевая обработка диэлектриков. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2008»: Томск, 5-8 мая 2008 г. – Томск: Изд-во «В-Спектр», 2008. Ч. 1. – С. 220-222. 17. Климов А.С., Степанов П.С. Разряд с составным полым катодом и его применение в источнике ленточного электронного пучка. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2007»: Томск, 3-7 мая 2007 г. – Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. Ч. 1. – С. 252-255. 18. Климов А.С., Медовник А. В. Повышение плотности эмиссионного тока в источнике ленточного электронного пучка. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2006»: Томск, 4-7 мая 2006 г. – Томск: Изд-во «В-Спектр», 2006. Ч. 1. – С. 318-321. 19. Климов А.С., Барков А.В. Поведение керамических материалов при термической обработке электронным лучом. Физика твердого тела: Сборник материалов XI Российской научной студенческой конференции (13-15 мая 2008 г., Томск). – Томск: томский государственный университет, 2008. – С. 167-170. 18
