авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Е. М. Окс ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ: ФИЗИКА, ТЕХНИКА, ...»

-- [ Страница 4 ] --

j, А/см U, с -5 -4 - 10 10 Рис. 4.3. Зависимость предельной плотности тока электронно го пучка от длительности его импульса в случаях приема пуч ка на расположенный в вакуумной камере коллектор (кр. 1) и вывода в атмосферу (кр. 2) Применение плазменного анода вместе с плазменным катодом имеет ряд особенностей, отличающих ее от аналогичных систем с термоэмис сионными и взрывоэмиссионными катодами. Плазменный катод всегда функционирует в режиме насыщения, его эмиссионная граница стабили зирована сеткой, и ускоряющий промежуток обеспечивает ток диода, превышающий эмиссионную способность плазмы. Поэтому поступление ионов в ускоряющий промежуток с плазменным катодом, приводящее в других ситуациях к частичной компенсации пространственного заряда электронного пучка и увеличению пропускаемого диодом тока, в данном случае практически не влияет на ток эмиссии электронов из плазмы.

Не вносят заметного вклада в эмиссию и вторичные электроны, вы битые из сетки ускоренными ионами, поскольку, как показали специ ально проведенные измерения, доля вторичных электронов, обуслов ленная ионно-электронной эмиссией, не превышает 2 – 4% от тока пуч ка. Концентрация плазмы в области транспортировки пучка составляла Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом nе = 1010 – 1011 см–3 и более чем на порядок величины превышала плот ность электронов в пучке nb. Для ослабления переходных процессов, связанных с установлением стационарных значений nе, инициирование дугового разряда в плазменном катоде осуществлялось с задержкой 20 мкс относительно момента зажигания разряда в генераторах анодной плазмы.

На рис. 4.4 представлены зависимости коэффициента токопрохож дения (отношение тока коллектора к полному току эмиссии) от тока разряда Ia (плотности плазмы в канале транспортировки пучка) в гене раторах анодной плазмы. При Ia = 0 отверстие в трубе дрейфа действует как рассеивающая линза. Поэтому, как видно из этого рисунка, в отсут ствие плазмы в трубе дрейфа ток коллектора достигает не более поло вины от тока ускоренных электронов. По мере увеличения Ia, приводя щего к заполнению трубы дрейфа плазмой и повышению ее концентра ции, провисание ускоряющего поля и расфокусирующее действие диа фрагмы уменьшаются и, таким образом, все большая часть электронов достигает коллектора. В ряде экспериментов для повышения плотности энергии пучка в импульсе электронный пучок фокусировался магнит ным полем индукцией 30 мТл. При этом диаметр пучка уменьшался до 1 см, а плотность энергии за импульс при его длительности 10 мкс дос тигала 50 Дж/см2.

, отн.ед.

0, 0, 0, 0 20 40 I, А Рис. 4.4. Зависимость коэффициента токопрохождения от тока разряда в плазмогенераторах при ускоряющем напряже нии Uу = 200 кВ 134 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ 4.2. Ускорители и источники электронов с плазменным эмиттером на основе дугового разряда низкого давления микросекундной длительности Основным методом формирования импульсных электронных пучков в источниках и ускорителях электронов на основе плазменного эмитте ра является «модуляция» разрядного тока. Этот способ получения им пульсных пучков является наиболее простым и широко применяемым.

Длительность импульса тока пучка и частота их повторения определя ются длительностью и частотой следования импульсов разрядного тока.

При низком напряжении горения дугового разряда это позволяет полу чать высокую энергетическую эффективность плазменного эмиттера по сравнению с термоэмиссионными эмиттерами. После зажигания разря да плазма заполняет полый анод, размер которого определяется площа дью поперечного сечения электронного пучка. Время заполнения этой полости плазмой или время формирования плазмы, зависящие от объе ма полости, рабочего давления плазмообразующего газа и ряда других факторов, составляет, в лучшем случае, несколько микросекунд [10].

Процесс формирования плазмы определяет время нарастания эмиссион ного тока, а распад плазмы в полости – время спада электронного тока.

Таким образом, оба эти процесса определяют временные и частот ные параметры импульсов электронного пучка. Если первый процесс ограничивает время нарастания и минимальную длительность импуль сов тока электронного пучка, то второй процесс – максимальную часто ту их повторения. Амплитуда эмиссионного тока и плотность эмисси онного тока ограничиваются, в основном, электрической прочностью ускоряющего промежутка.

На рис. 4.5 приведена схема одного из целого ряда разработанных источников и ускорителей электронов с «модуляцией» разрядного тока [11, 12], на котором были проведены первые исследования по получе нию сильноточных электронных пучков и достигнуты предельно малые длительности импульсов электронного пучка, при сохранении доста точно высокой эффективности, стабильности формы и амплитуды им пульсов эмиссионного тока. Плазменный эмиттер состоит из полого ци линдра (полый анод 4) диаметром и длиной 20 см, внутри которого смонтированы три плазмогенератора. Каждый из них включает в себя катод 1, поджигающий электрод 2 и изолятор 7. Использование трех ге Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом нераторов плазмы связано с необходимостью получения как требуемого ресурса работы (более 107 импульсов), так и равномерности распреде ления плотности тока по сечению электронного пучка. Последней цели служат и сферические электроды 3. В ряде конструкций число плазмо генераторов могло варьироваться от двух до семи. Достаточно подроб но эти генераторы плазмы описаны в [13]. Они имеют простую конст рукцию и в отличие от плазмогенераторов на основе контрагированной дуги [4] и тлеющего разряда [14] практически не имеют ограничения по максимальному разрядному току. Последнее достоинство и делает их привлекательным для использования в сильноточных электронных ис точниках. На торце полого анода расположено эмиссионное окно 5, за тянутое мелкоструктурной сеткой. Ускоряющее напряжение, как пра вило, постоянное, величиной до 150 кВ прикладывается между полым анодом и коллектором 6.

L3 L2 L С1 С2 С R5 R R3 R Rзар 10 кВ R6 R Р 150 кВ Рис. 4.5. Схема источника электронов с плазменным эмитте ром: 1 – катод;

2 – поджигающий электрод;

3 – рассеивающий 136 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ электрод;

4 – полый анод;

5 – эмиссионная сетка;

6 – коллек тор;

7 – изолятор После инициирования дуги, которое происходит за счет пробоя ди электрика 7, зажигается разряд между полым анодом 4 и катодом 1. В экспериментах [15] наблюдались два режима зажигания и горения раз ряда, которые были условно названы вакуумный и газовый. Оба режима характеризуются достаточно низким рабочим давлением, при котором длина свободного пробега для реакции ионизации много больше длины межэлектродного пространства d. Однако при превышении некоторого давления pкр, оценить которое можно согласно [16]:

6 m 1/ 2 pкр = kT, (4.1) M i d остаточный газ в разрядном промежутке оказывает заметное влияние на процессы зажигания и горения. Существует общепринятое представле ние, что формирование плазмы внутри анодной полости в вакуумном ре жиме происходит за счет расширения катодного факела в промежуток между катодом и анодом. Этот режим наиболее часто используется в ис точниках металлических ионов, однако он может быть применен и для создания высокоэффективных источников электронов, когда предъявля ются жесткие требования к вакуумным условиям.

Недостатком этого режима горения является достаточно высокая не стабильность импульса эмиссионного электронного тока. Связано это с тем, что вследствие нестабильной природы катодного пятна поступление плазмы и паров в анодную полость происходит неравномерно. Иллюст рацией этого являются осциллограммы тока пучка электронов (рис. 4.6, а), полученные в «вакуумном» режиме горения разряда, при давлении газа азота p, напускаемого в разрядную систему плазменного эмиттера, p = 10–4 Торр.

Увеличение давления газа в разрядном промежутке приводит к тому, что часть электронов, эмиттированных с границы плазменного сгустка (факела), образованного у катода, производят ионизацию газа. В ре зультате при давлении p pкр имеет место иной механизм формирова ния плазмы, и в ряде случаев он оказывается более быстрым, чем про сто процесс распространения плазмы катодного факела. В результате время зажигания разряда сокращается. Этот режим является оптималь ным для плазменного эмиттера электронов. Здесь удалось получить электронный пучок с высокой стабильностью формы импульса тока, его Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом амплитуды и распределения плотности тока по сечению пучка. На рис. 4.6, в приведены осциллограммы десяти записанных подряд им пульсов эмиссионного тока (осциллограмма 1). В соответствии с (4.1) применение газа с большим молекулярным весом в качестве рабочего позволит снизить рабочее давление, что и наблюдалось в эксперимен тах. Использование, например, ксенона позволяет не только снизить ра бочее давление, но и улучшить форму эмиссионного тока, как это мож но видеть из рис. 4.6, б, где приведены токи эмиссии, полученные при работе с ксеноном (осциллограмма 1) и азотом (осциллограмма 2).

2 а б в Рис. 4.6. Осциллограммы импульсов эмиссионного и разрядного токов (осцилло грамма 2 (в)). Горизонтальная шкала для 1 мкс/дел. – для б, в;

вертикальные шкалы 200 А/дел. –для б;

500 А/дел. – для в В исследованном диапазоне давлений 1·10–4 4·10–4 Торр в основ ном имеет место диффузное горение разряда между холодными катода ми и внутренней поверхностью полого анода, нарушаемое иногда обра зующимися на поверхности полости анодными пятнами. Вероятность их возникновения определяется состоянием внутренней поверхности анода – наличием загрязнений, а также давлением напускаемого газа, амплитудой и длительностью разрядного тока. Опыт работы с плазмен ными эмиттерами показывает, что эту проблему удается решить, ис пользуя безмасляные средства откачки и уделяя должное внимание вы бору материалов электродов полого анода. Замена деталей полого ано да, изготовленных из алюминия, на детали из нержавеющей стали по 138 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ зволила увеличить разрядный ток до 3 – 3,5 кА без образования анод ных пятен.

На основе результатов экспериментального исследования этого источ ника электронов с плазменным эмиттером был разработан ряд сильноточ ных ускорителей электронов с плазменным катодом, которые использова лись в основном в экспериментах по радиационной технологии, а также для накачки активных сред газовых лазеров [2, 12, 17 – 21]. На рис. 4. представлена схема ускорителя для получения электронного пучка сече нием 15 60 см2 [12]. Этот ускоритель использовался в работах по гене рации лазерного излучения в инертных газах. Плазменный эмиттер пред ставляет собой общий цилиндрический анод 1, на торцах которого уста новлены два катодных узла разрядной системы. В разрядный промежуток (внутрь полого анода) напускается плазмообразующий газ, в основном азот или аргон, до рабочего давления 2·10–2 Па. На боковой поверхности полого анода расположено эмиссионное окно, закрытое мелкоструктур ной сеткой 5. Размеры окна определяют размеры сечения пучка. Извлече ние и ускорение электронов осуществляется постоянным напряжением, приложенным между полым анодом и вакуумной камерой. При выводе пучка в атмосферу или газ высокого давления через тонкую фольгу посто янное напряжение позволяет свести к минимуму потери электронов и по лучить пучок, близкий к моноэнергетичному, вследствие отсутствия элек тронов, ускоренных на фронте, и спада импульса высокого напряжения.

9 Р R1 R 5 4 200 кВ 7 8 Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом Рис. 4.7. Электронный ускоритель с плазменным катодом для накачки газового лазера: 1 – полый анод;

2 – изолятор;

3 – ка тоды вакуумной дуги;

4 – поджигающие электроды;

5 – эмис сионная сетка;

6 – алюминиевая фольга;

7 – опорная решетка;

8 – лазерные зеркала;

9 – источники питания дуговых разря дов;

Р – газовый клапан При накачке лазеров электронным пучком важной его характеристи кой является равномерность распределения плотности тока по сечению, которая определяет как эффективность использования пучка, так и ве роятность появления пробоя в рабочей смеси газового лазера при ло кальной неоднородности пучка. Метод улучшения распределения осно ван на зависимости эмиссии электронов от соотношения размеров ячеек сетки и протяженности прианодного слоя. Для выравнивания распреде ления плотности тока по сечению пучка в эмиссионном окне устанав ливалась сетка с переменной прозрачностью. Другой способ улучшения распределения плотности тока заключается в изменении угла наклона катодного узла по отношению к оси полого анода [18, 22] (рис. 4.8).

R R 8 12 140 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ Рис. 4.8. Схема ускорителя электронов с импульсным уско ряющим напряжением: 1 – катод разрядной системы;

2 – про межуточный электрод;

3 – изолятор;

4 – полый анод;

5 – эмиссионная сетка;

6 – вакуумная камера;

7 – высоковольт ный изолятор;

8 – выводное окно, градиентные кольца;

10 – формирующий электрод;

11 – ускоряющий промежуток;

12 – фольговое окно;

13 – лазерная кювета;

14 – разрядный элек трод;

15 – изолятор При ускоряющем напряжении 150 – 200 кВ, частоте повторения им пульсов 50 Гц и длительности импульса 30 мкс был получен пучок с то ком до 50 – 80 А. Электронный пучок выводился в лазерную кювету че рез 30-микрометровую алюминий-бериллиевую фольгу. При геометри ческой прозрачности опорной решетки 70% через нее в атмосферу вы водится 50% от тока пучка в ускоряющем промежутке. В режиме оди ночных импульсов ускоритель генерирует пучок с током до 1000 А и при длительности импульса 5 – 0 20 40 60 мкс, с током до 400 А при дли тельности импульса 15 мкс, с то Id ком до 200 А при длительности импульса до 30 мкс и при дли тельности импульса до 100 мкс Uуск амплитуда тока пучка составила 25 – 90 А.

Iе В [22] приводится описание Iк 12 мкс ускорителя электронов, в котором длительность импульса тока пучка определялась не временем зажи Uуск гания и длительностью горения Iе разряда, а длительностью импуль са ускоряющего напряжения.

мкс 14,5 мкс Iк Схема ускорителя аналогична приведенной на 4.8, а осцилло граммы разрядного тока, уско Uуск ряющего напряжения, тока пучка Iе и тока коллектора за фольгой представлены на рис. 4.9. В отсут 19 мкс 20 мкс Iк ствие ускоряющего напряжения 0 20 40 плазма разряда из полого анода Время, мкс Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом поступает в ускоряющий Рис. 4.9. Осциллограммы разрядного тока Id, ускоряющего напряжения Uуск, тока пучка Iе и тока коллектора Iк. В случае, когда импульсы разрядного тока и уско ряющего напряжения прикладываются одновременно, ток пучка нарастает доста точно медленно. Если напряжение прикладывается с задержкой относительно тока разряда, то ток пучка возрастает существенно быстрее промежуток и заполняет его. После подачи ускоряющего напряжения все напряжение прикладывается к узкой области, примыкающей к эмиссионной сетке. Это приводит к росту напряженности электрическо го поля вблизи сеточного электрода, а при достижении определенной величине этого поля – к возникновению эмиссионных центров на по верхности сетки. Вблизи эмиссионной сетки образуется плотная плазма, которая, распространяясь в сторону выводной решетки, приводит к «за корачиванию» промежутка. Это один из возможных механизмов пробоя ускоряющего зазора. Протяженность этой области, при постоянном ус коряющем напряжении и времени его нарастания, определяется кон центрацией проникающей плазмы. Концентрация плазмы зависит от ве личины разрядного тока в разрядной системе, размеров ячеек сетки и длительности задержки между моментом зажигания разряда и момен том подачи ускоряющего напряжения. От этой же задержки зависит форма импульса напряжения на ускоряющем промежутке, так как гене ратор импульсного напряжения имеет конечное внутреннее сопротив ление, и формы импульсов токов пучка и коллектора (рис. 4.9). Путем соответствующего подбора вышеперечисленных параметров удалось достичь стабильной работы ускорителя в режиме: ток пучка 270 А при амплитуде ускоряющего напряжения 200 кВ, длительность импульса тока коллектора 15 – 20 мкс, потери пучка в выводной решетке и фольге составили 65%.

В системах с плазменным катодом отбор электронов осуществляется с поверхности объемного плазменного образования. Поэтому при отборе электронов из плазмы возможно формирование не только плоскопарал лельных электронных пучков большого сечения, но также радиально рас ходящихся или радиально сходящихся пучков электронов.

Радиально расходящиеся электронные пучки привлекательны для их использования в сильноточных коммутаторах на основе несамостоя тельного газового разряда, управляемого электронным пучком. Коэф 142 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ фициент усиления тока в таких коммутаторах (отношение тока разряда к току пучка) повышается при снижении плотности тока пучка. Ускори тель электронов с плазменным катодом для генерации радиально расхо дящихся электронных пучков [23] был специально разработан для ис следования коммутации больших токов при разряде в СН3. Цилиндри ческая симметрия плазменного катода позволила существенно увели чить площадь эмиссии и наиболее полно реализовать преимущества эмиссии электронов из плазмы, обеспечив широкий диапазон регулиро вания амплитуды и длительности импульса тока электронного пучка.

Этот ускоритель (рис. 4.10) состоит из двух соосных полых цилиндри ческих электродов 1 и 2 диаметром 0,5 и 0,3 м каждый и высотой 1,5 м.

Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом Между электродами 1 и 2 приклады валось высокое напряжение, уско ряющее электроны. Внутри цилинд- рического электрода меньшего диа метра расположен плазменный катод (эмиттер электронов), конструктивно объединенный с формирующей лини- ей электропитания 6 тока разряда (30 А, 100 мкс) и генератором Маркса 7 для формирования высоковольтных импульсов с напряжением до 300 кВ.

Генератор Маркса был смонтирован на секционированном проходном изо ляторе, заполненном элегазом под давлением 1,8·105 Па. С внешней сто роны генератора – изоляция вакуум ная. Плазменный эмиттер электронов включает в себя полый сетчатый анод 2 и два генератора плазмы 4 на основе вакуумного дугового разряда, иден тичные разрядным системам, описан ным в [11]. В цилиндрическом элек троде 1 для вывода электронного пуч ка на боковой поверхности выполнены отверстия диаметром 2 см. С внешней стороны отверстия перекрывались Рис. 4.10. Ускоритель электронов с алюминий-магниевой фольгой толщи- радиально расходящимся пучком:

1 – корпус;

2 – эмиттерная сетка;

3 – ной 50 мкм. При протяженности пучка фольговое выводное окно;

4 – гене 0,8 м площадь его поперечного сече- раторы плазмы на основе вакуумной ния на поверхности электрода 1 дос- дуги;

5 – разрядник;

6 – формирую тигала 1,2 м2. Синхронизация импуль- щая линия;

7 – генератор Маркса сов тока дуги и ускоряющего напря жения осуществлялась на фронте высоковольтного импульса генератора Маркса неуправляемым разрядником. Из-за наличия протяженных элек тродов большого сечения и их загрязнения в условиях использования паромасляных средств откачки при напряжениях свыше 180 кВ в систе ме возникал так называемый высоковольтный вакуумный разряд [24], искажающий форму импульса тока пучка и вызывающий, в конечном 144 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ счете, пробой ускоряющего промежутка. Наиболее простым и эффек тивным методом подавления такого разряда в этом ускорителе оказалось повышение давления в ускоряющем промежутке до 0,03 Па путем на пуска ксенона. При ускоряющем напряжении 300 кВ в режиме моноим пульсов ускоритель генерировал радиально расходящийся пучок с током до 20 А длительностью 100 мкс. Ток пучка ограничивался мощностью генератора Маркса. Выведенный через фольгу пучок инжектировался в разрядный промежуток коммутатора, который работал по схеме генера тора с частичным разрядом емкости. Коммутатор с углеводородной сре дой работал устойчиво при напряжении зарядки емкости до 50 кВ, при этом коэффициент усиления тока составлял 30 – 40. Характерные осцил лограммы импульсов токов представлены на рис. 4.11.

Iп, А Iр, кА 7,5 2,5, мкс 20 Рис. 4.11. Осциллограммы импульсов тока электронного пуч ка (кр. 1) и тока разряда в метане (кр. 2), контролируемого электронным пучком Источники электронов с радиально-сходящимися пучками, которые, в сущности, являются «усилителями» удельной мощности пучков, представляют интерес для их использования в системах накачки газо вых лазеров. По сравнению с устройствами, генерирующими электрон ные пучки прямоугольного сечения, в источниках радиально сходящих ся пучков в результате компрессии пучка существенно возрастает плот ность тока на мишени. При накачке лазеров такими пучками повышает ся эффективность использования электронного пучка благодаря более равномерному вкладу энергии пучка в газовую среду.

Схематичное изображение ускорителя [25], генерирующего ради ально сходящийся электронный пучок, представлено на рис. 4.12. Уско ритель состоит из цилиндрической вакуумной камеры с коаксиально Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом установленными плазменным эмиттером электронов 9 и сетчатым ци линдрическим электродом 2, между которыми прикладывается постоян ное ускоряющее напряжение. Диаметры внешней и внутренней поверх ностей плазменного эмиттера составляют 500 и 350 мм соответственно, при этом внутренняя поверхность выполнена из металлической сетки с характерными размерами 1 1 мм и геометрической прозрачностью 60%.

Для генерации плазмы на каждом из торцов плазменного эмиттера элек тронов установлено по три катодных узла вакуумно-дуговых разрядных ячеек 1. Собранный в виде полого цилиндра плазменный катод 9 крепит ся посредством цилиндрической штанги 5 на дисковом проходном изоля торе из капролона 4, внешняя часть которого помещена в бак 7, запол ненный азотом с избыточным давлением 0,8 МПа. С вакуумной стороны Рис. 4.12. Ускоритель электронов с радиально сходящим ся пучком: 1 – катодный узел;

2 – опорная решетка;

3 – вакуумная камера;

4 – проходной изолятор;

5 – штанга;

146 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ – высоковольтный кабель;

7 – газовый бак;

8 – градиент ные кольца;

9 – тороидально-цилиндрический эмиттер изолятора 4 установлены шесть градиентных колец 8, разделяющие по верхность изолятора на равные промежутки с шагом 25 мм. Форма гра диентных колец выбрана таким образом, чтобы исключить прямое по падание рассеянных электронов и рентгеновского излучения на диэлек трическую поверхность. Градиентные кольца через вакуумно-плотные электрические вводы соединены с делителем напряжения, обеспечивая при этом равномерное распределение высокого напряжения по обра щенной к вакуумной стороне поверхности изолятора. Электрод 2 вы полняет одновременно функции опорной решетки фольгового окна для вывода пучка, но также образует внешнюю поверхность лазерной кюве ты. Использовались две разновидности конструкции опорной решетки:

с перфорированными круглыми отверстиями диаметром 20 мм, а также с протяженными щелями шириной 20 мм и толщиной ребра 2 мм. Гео метрическая прозрачность решетки первого типа – 60%, второго типа – 80%. Подача напряжения на укоряющий промежуток и электрического питания разрядных систем генераторов плазмы осуществлялась через кабельный ввод 6, смонтированный в верхней части изолятора. При длительности импульса 10 мкс и частоте повторения импульсов 1 – 10 с–1 получен пучок с током до 1 кА и энергией электронов до 200 кэВ.

При плотности эмиссионного тока менее 0,2 А/см2, плотность тока на поверхности электрода 8 достигала 0,4 А/см2. В заключение обратим внимание на возможность генерации электронных пучков в ионных ис точниках на основе вакуумной дуги, которая была реализована в [26].

4.3. Импульсные источники электронов субмикросекундной длительности Время формирования плазмы в анодной полости плазменного эмит тера зависит в сильной степени от давления фонового или плазмообра зующего газа и при очень низких давлениях определяется скоростью распространения плазмы, приблизительно равной 106 см/с. В связи с этим, в эмиттерах электронов, предназначенных для получения элек тронных пучков с поперечным сечением в десятки сантиметров, время нарастания тока эмиссии может составлять десятки микросекунд. Ме тод сеточного управления позволяет получать импульсные электронные Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом пучки с заданными временными характеристиками (фронтом и спадом), во много раз меньшими времени формирования плазмы.

На рис. 4.13 приведена конструкция плазменного эмиттера электро нов с сеточным управлением [27], в котором, как и в вышеописанных эмиттерах, формирование эмиттирующей плазмы происходит за счет горения дугового разряда между катодом 1 и полым анодом 5 как в па рах материала катода, так и в газе, напускаемом в анодную полость че рез регулируемый натекатель. Наиболее оптимальное давление напус каемого газа лежит в пределах от 10–2 до 3·10–2 Па. С целью повышения срока службы и улучшения однородности использовались семь ини циирующих систем, соответственно имеющих семь катодов и семь поджигающих электродов. Каждый из катодов подключался к отдель ной искусственной формирующей линии. Все поджигающие электроды соединены через резисторы номиналом 50 – 100 Ом к полому аноду. На сетчатый эмиссионный электрод 8, изолированный от полого анода, по давалось постоянное отрицательное напряжение величиной до 100 В, что практически предотвращало проникновение электронов плазмы в ускоряющий промежуток между эмиссионной сеткой и коллектором 9.

Iупр С R1 R3 а 12 34 56 7 R С Uупр Uраз С R2 R Iэ б R С Рис. 4.13. Плазменный источник с сеточным управлением для генерации на носекундных электронных пучков: 1 – катод вакуумной дуги;

2 – изолятор;

3 – поджигающий электрод;

4 – перераспределяющий электрод;

5 – полый анод;

6 – управляющий электрод;

7 – вакуумная камера;

8 – эмиссионная сетка;

9 – коллектор;

10 – импульсный трансформатор;

11 – вторичная обмот 148 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ ка импульсного трансформатора. Осциллограммы: а – ток пучка (210 А/дел., 20 нс/дел.);

б – пачка из 12 импульсов тока пучка с частотой 30 кГц Постоянное ускоряющее напряжение прикладывалось между эмисси онным электродом и коллектором. После заполнения плазмой полого анода на эмиссионную сетку подавались положительные импульсы от генератора наносекундных импульсов, что приводило к снижению по тенциального барьера вблизи сетки и появлению эмиссионного тока. С целью достижения лучших временных параметров импульсный транс форматор генератора был объединен в единый узел с плазменным эмит тером. На рис. 4.13, в правом верхнем углу, приведена осциллограмма из десяти наложенных друг на друга импульсов тока электронного пуч ка, из которой видно, что формы и амплитуды импульсов практически повторяют друг друга и плазменный эмиттер отличается высокой ста бильностью. Максимальная амплитуда тока коллектора достигала 700 – 800 А при разрядном токе 1300 А, длительности импульса 100 нс и дли тельности фронта в 25 – 30 нс. Дальнейшему увеличению эмиссионного тока препятствовал пробой между сеткой и полым анодом, возникаю щий уже при отрицательном напряжении на ней. Возникновение пробо ев связывается с зарядкой ионным током из плазмы диэлектрических включений, имеющихся на сеточной поверхности. При достижении оп ределенной величины заряда на них развивается поверхностный пробой с образованием катодного пятна на сетке, и в дальнейшем загорается дуговой разряд между полым анодом и сеткой. Решение этой проблемы позволило бы увеличить эмиссионный ток, так как видимых ограниче ний в разрядном токе не имеется. Разработанный плазменный эмиттер электронов предназначен для установки в линейный индукционный ус коритель и работает в пакетно-импульсном режиме с длительностью пакета около 1 мс и интервалом между импульсами тока электронного пучка внутри пакета 30 – 33 мкс. Аналогичная схема построения элек тронного источника с плазменным катодом описана в [28].

На основе результатов исследований эмиттера электронов с сеточ ным управлением был разработан и построен ускоритель электронов для проведения экспериментов по генерации лазерного излучения [21], который, как и прототип, работает в пакетно-импульсном режиме с длительностью пакета 200 мкс и частотой следования импульсов в па кете до 4·105 с–1. Схема ускорителя приведена на рис. 4.14. В вакуумной камере 9 с помощью проходного изолятора 8 и токоввода установлен Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом эмиттер 3. Плазма создается четырьмя катодными узлами 1 с дуговыми разрядами при подаче напряжения от формирующих линий, располо женных на выходной ступени ГИНа. Импульсный ток разряда длитель ностью 200 мкс регулируется в пределах от 0,3 до 1 кА. Между полым анодом 2 и эмиссионной сеткой 4 прикладывается постоянное отрица тельное смещение Uсм величиной до 400 В. Импульсы положительной полярности Uупр колоколообразной формы длительностью 170 нс на по лувысоте и амплитудой 3 кВ подаются от генератора, через импульсный трансформатор 7, смонтированный в теле изолятора 8. При ускоряю щем напряжении 160 кВ, разрядном токе 400 А, геометрической про зрачности опорной решетки 70% и толщине титановой фольги 18 мкм в лазерную кювету был выведен пучок с током 100 А, сечением 3 70 см.

Оценки показывают, что в ускорителе с сеточным управлением тока эмиссии можно повысить частоту следования импульсов до единиц ме гагерц.

Cd Cd Uупр 2 3 Ie 4 5 Рис. 4.14. Схематичное изображение ускорителя электронов с плазменным катодом для генерации пучков с высокой часто той повторения импульсов: 1 – катод;

2 – полый анод;

3 – внешний цилиндрический электрод;

4 – эмиссионная сетка;

– титановое фольговое окно с опорной решеткой;

6 – коллек тор;

7 – импульсный трансформатор;

8 – проходной капроло новый изолятор;

9 – вакуумная камера 150 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ Плазменные эмиттеры электронов на основе дугового разряда обла дают одним существенным недостатком – относительно низким сроком службы. Связано это с тем, что в результате горения этого разряда име ет место значительная эрозия материала катода, что приводит к увели чению зазора между катодом и поджигающим электродом и со време нем ухудшается инициирование разряда. В ряде случаев происходило напыление материала катода на поверхность изолятора, разделяющего катод и поджигающий электрод, и замыкание этих электродов между собой. Это нарушает нормальное функционирование эмиттера. Ресурс работы этих эмиттеров 107 импульсов. Поэтому были разработаны плазменные эмиттеры электронов на основе тлеющего разряда с полым катодом [22, 29, 50] с ресурсом работы 109 и более импульсов. На рис. 4.15 представлена схема источника электронов на основе эмиттера с тлеющим разрядом [22]. Источник состоит из полого анода 3 диамет ром 20 см и длиной 75 см, на концах которого установлены два плазмо генератора, создающие в полом аноде плазму. Плазмогенераторы со единены с анодом через малые (диаметром 5 мм) отверстия, в которых осуществляется перепад давлений, при котором давление в плазмогене раторах как минимум на порядок превышает давление в аноде. Рабочее давление в анодной полости обычно не превышало 5·10–2 Па, а в каче стве плазмообразующего газа обычно использовался азот или воздух.

6 газ газ БП1 БП БП БП е-пучок БП БП Рис. 4.15. Схема источника электронов на основе тлеющего разряда: 1 – катод плазмогенератора;

2 – промежуточный электрода;

3 – полый анод;

4 – изолятор;

5 – эмиссионный электрод;

6 – вакуумная камера;

7 – магниты;

8 – коллектор Плазмогенератор, в свою очередь, состоит из полого катода 1 и проме жуточного электрода 2. Для повышения ресурса системы в плазмогене раторах используется также тлеющий разряд. Магнитное поле величи Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом ной 0,3 Тл, создаваемое постоянными кольцевыми магнитами, снижает напряжение зажигания разряда, рабочее давление в плазмогенераторах и повышает стабильность момента зажигания разряда.

Разрядная система эмиттера функционирует следующим образом.

Вначале зажигается инициирующий разряд с полым катодом в магнит ном поле между электродами 1 и 2, а затем, спустя некоторое время, прикладывается напряжение между электродами 2 и 3 и загорается раз ряд с полым катодом, которым является промежуточный электрод 2.

Величины токов инициирующего разряда между катодом 1 и электро дом 2 и вспомогательного разряда между электродом 2 и анодом 3, так же как величины их длительностей и задержка зажигания вспомога тельного разряда относительно инициирующего, подбирались в ходе экспериментальных исследований, исходя из условия равномерного за полнения полого анода плазмой. Амплитуда и длительность импульсов тока инициирующего разряда были равны 30 А и 10 – 12 мкс, тока вспомогательного разряда – 60 – 70 А и 14 – 16 мкс, задержка между разрядами – 6 – 8 мкс. При меньших задержке и токе инициирующего разряда плазма в полом аноде формируется в виде шнура с временной и пространственной нестабильностью.

Импульсное напряжение величиной до 10 – 12 кВ наносекундной длительности с задержкой 6 – 10 мкс относительно момента зажигания вспомогательного разряда прикладывалось между полым анодом и эмиссионным электродом 5, закрытым сеткой с прозрачностью 70%. В отсутствие этого напряжения ток эмиссии снижался почти на два по рядка, благодаря отрицательному напряжению, возникающему на сетке при протекании электронного тока через внутреннее сопротивление ра зомкнутого ключа генератора наносе I, А кундных импульсов. Фронт импульса тока на эмиссионный электрод и кол- лектор 8 в экспериментальных усло- 150 виях определялся скоростью роста прикладываемого напряжения. Форма вершины импульса зависела от за держки подачи напряжения на сетку 20 40 60 80 100 120 t, нс относительно момента зажигания Рис. 4.16. Oсциллограммы токов в вспомогательного разряда. По мере цепи сеточного эмиссионного элек уменьшения задержки увеличивался трода 5 для разных времен задержек, наклон импульса тока на его вершине мкс: кр. 1 –10;

кр. 2 – 152 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ при одновременном снижении тока на фронте импульса. Максимальное значение эмиссионного тока, полученное в экспериментах, составляло 140 А при ускоряющем напряжении между сетчатым анодом и коллек тором до 30 кВ (рис. 4.16). Длительность фронта импульса тока равня лась 25 – 30 нс. Эффективность извлечения электронов, равная отноше нию эмиссионного тока к току разряда, пропорциональна прозрачности эмиссионного сетчатого электрода, т.е. Ie = Ip. Неравномерность рас пределения плотности тока вдоль большей оси сечения пучка составля ла ±15 %.

4.4. Импульсные источники электронов низких энергий Под термином «электронные пучки низких энергий» понимается та кой уровень энергии электронов, про котором тормозное рентгеновское излучение, генерируемое электронным пучком, настолько мало, что оно не выходит за пределы вакуумной камеры. Такая ситуация имеет место, если величина ускоряющего напряжения не превышает 20 – 25 кВ.

Особенность генерации пучков низких энергий состоит в необходи мости создания условий для нейтрализации пространственного заряда электронного пучка, степень влияния которого, очевидно, тем больше, чем ниже энергия электронов. Как правило, генерация таких пучков осуществляется в так называемых плазмонаполненных диодах, когда область формирования и транспортировки электронного пучка заполне на плазмой.

Относительно новое применение плазменного эмиттера электронов – использование его в ионном источнике на основе вакуумной дуги, го рящей в парах материала катода (MEVVA), для увеличения средней за рядности ионного пучка. Инжекция низкоэнергетичного электронного пучка в плазму ионного источника приводит к увеличению зарядового состояния ионов [30]. В рассмотренных выше источниках электронов разряд в полом аноде эмиттера электронов горел при давлении 3·10–2 Па, превышающем критическое давление pкр для данных геометрических размеров. При таком давлении в разрядном промежутке зажигается раз ряд, напоминающий газовый, и формируется газоразрядная плазма.

Проведенные экспериментальные исследования состава ионного пучка, извлекаемого из источника ионов с геометрией разрядного промежутка, подобной уже описанным, показали, что при давлении выше 2·10–2 Па доля ионов металла (материала катода – например, Al) снижается до 20% и менее, в то время как 80% состава ионного пучка – это ионы газа, Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом напускаемого в разрядный промежуток. Такое относительно высокое давление в электронном источнике стабилизирует эмиссионный ток, но является совершенно неприемлемым для источников ионов металлов.

Было показано, что уже при давлении выше 6·10–4 Па средняя заряд ность металлических ионов заметно снижается.

Для использования в ионном источнике с электронным пучком (E-MEEVA) был разработан плазменный эмиттер электронов [31] на основе вакуумной дуги с плотностью эмиссионного тока 20 – 40 А/см2, работающий в условиях высокого вакуума (р 2·10–4 Па) и отличаю щийся высокой эффективностью извлечения электронов из плазмы.

Схематическое изображение экспериментального макета электронной пушки на основе плазменного эмиттера, на котором проводилась отра ботка конструкции электронного источника, приведено на рис. 4.17. Он состоит из двух основных узлов: плазменного эмиттера и системы транспортировки и фокусировки электронного пучка.

13 R R1 R 13 2 6 Рис. 4.17. Электронный источник с плазменным катодом на основе вакуумной дуги для генерации пучков низких энергий:

1, 7 – катоды;

2 – полый анод;

3, 8 – поджигающие электроды;

4, 9 – изоляторы;

5 – эмиссионный электрод;

6 – канал транс портировки электронного пучка;

10 – диафрагма;

11 – ци линдр Фарадея или плоский коллектор;

12, 13, 14 – соленоиды Плазменный эмиттер образован холодным катодом 1, полым анодом 2 и поджигающим электродом 3. На одном из торцов полого анода на ходится эмиссионное окно 5 диаметром 1,5 см, закрытое мелкострук турной сеткой. Весь плазменный эмиттер погружен в продольное маг нитное поле 0,1 – 0,2 Тл соленоида 12. Транспортировка и фокусировка 154 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ пучка осуществляется в канале 6, внутри которого установлены пушки плазмогенераторов. Извлекающий электрод выполнен в виде диска с отверстием диаметром 1,8 см, не перекрытым сеткой. Для компенсации расфокусирующего действия поперечных электрических полей в отвер стии извлекающего электрода и пространственного заряда электронного пучка канал транспортировки и объем внутри этого отверстия запол нялся плазмой, создаваемой плазмогенераторами, и погружался в маг нитное поле соленоида 13. На выходе канала транспортировки распола гается фокусирующая катушка 14. Максимальное значения магнитного поля на оси этой катушки достигает 1 Тл. В ходе экспериментов был получен электронный пучок с током до 80 А, при длительности импуль са до 100 мкс и ускоряющем напряжении 20 кВ. Осциллограммы эмис сионного и коллекторного токов, а также отпечаток пучка на коллекто ре представлены на рис. 4.18.

а б Рис. 4.18. Осциллограммы (сверху вниз) тока пучка на коллектор и полного тока эмиссии электронов из плазмы (20А/дел., 25 мкс/дел.) (а);

отпечаток пучка на кол лекторе из нержавеющей стали ( 50 Дж/см2) (б) Плотность тока на коллекторе равнялась 25 – 30 А/см2, в то время как плотность тока в отверстии диафрагмы 10 достигала 160 А/см2.

Коллекторная плазма и пары материала коллектора, появляющиеся при бомбардировке коллектора электронным пучком, не оказывали замет ного влияния на электрическую прочность ускоряющего зазора. Связа но это с тем, что малая доля их проникает через отверстие в фокуси рующей катушке в канал транспортировки и далее в ускоряющий про межуток. Такая схема электронного источника является также перспек Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом тивной и для построения технологических установок, в которых элек тронный пучок используется для импульсного плавления поверхности различных металлов с целью изменения ее свойств.

В [32] описаны две разновидности плазменных источников низко энергетичных электронных пучков на основе дугового и тлеющего раз рядов. Конструкция источника с дуговым разрядом представлена на рис. 4.19. Дуговой разряд низкого давления с катодным пятном (Iр = – 1600 А, и = 45 мкс, f = 1 – 50 c–1) зажигается между стержневым маг ниевым катодом 1 (dк = 4 мм, lк = 15 мм) и полым анодом 5. Дуга ини циируется вспомогательным разрядом по поверхности фторопластового изолятора при подаче импульса высокого напряжения между катодом и поджигающим электродом 2. В корпусе поджигающего электрода 2 на фторопластовом изоляторе установлен и постоянный кольцевой магнит 3, I R I I I 156 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ Рис. 4.19. Схема электронного источника на основе дуго вого разряда: 1 – катод;

2 – корпус катодного узла;

3 – кольцевой магнит;

4 – перераспределяющий электрод;

5 – полый анод;

6 – сетчатое эмиссионное окно;

7 – ускоряю щий электрод;

8 – труба дрейфа;

9 – коллектор создающий магнитное поле с индукцией 0,02 Тл. Создание в катодной области разряда магнитного поля позволяет существенно снизить на пряжение зажигания дугового разряда в результате создания условий для осцилляции электронов. В цилиндрическом полом аноде 5 (dа = = 150 мм, lа = 160 мм) на одном из его торцов выполнено эмиссионное окно 6 (dэ = 80 мм), перекрытое мелкоструктурной металлической сет кой с размерами элементарной ячейки 0,1 0,1 мм и геометрической прозрачностью 40%. Внутри полого анода на расстоянии 20 мм от ка тодного узла традиционно расположен сферический перераспределяю щий электрод 4, выполненный из проводящего материала и электриче ски соединенный с поджигающим электродом 2. Электрод 4 улучшает равномерность распределения плотности плазмы в области извлечения электронов, а также позволяет существенно снизить или даже исклю чить проникновение продуктов испарения материала катода на поверх ность обрабатываемого материала. Ускоряющий электрод 7 выполнен в виде диафрагмы с отверстием диаметра dу = 80 мм и расположен на рас стоянии lу = 5 мм от эмиссионного окна 6. Ускоряющий электрод со единен с трубой дрейфа 8 (dд = 100 мм, lд = 90 мм). Плоский коллектор 9 удален от эмиссионного окна на расстоянии lк = 100 – 600 мм. Напуск рабочего газа (воздуха, гелия, аргона) расходом до 30 мПа·м3/с осуще ствляется через канал в катоде 1.

При этом давление газа в области формирования и транспортировки электронного пучка могло достигать величин порядка 1 Па. Измерения тока разряда Iр, тока эмиссии Iэ, токов пучка на коллектор Iк и уско ряющий электрод Iу осуществлялись трансформаторами тока (поясами Роговского), установленными в соответствующих цепях.

В условиях повышенного давления газа извлеченные из плазмы электроны эффективно ионизуют газ, создавая в области ускорения и транспортировки электронного пучка вторичную (анодную) плазму.

Граница этой плазмы располагается в ускоряющем промежутке, а ее по тенциал близок к потенциалу ускоряющего электрода. Между анодной и катодной плазмой образуется двойной электростатический слой, на котором локализуется все приложенное ускоряющее напряжение Uу.

Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом Поскольку протяженность слоя меньше расстояния между эмиссион ным окном и ускоряющим промежутком, то это обуславливает возрас тание первеанса ускоряющего промежутка. В меньшей степени перве анс промежутка повышается также в результате компенсации простран ственного заряда электронного пучка ионами из анодной плазмы.

Обратим внимание на принципиальную особенность данной систе мы, состоящую в том, что в данном случае вторичная плазма создается естественным образом в результате ионизации остаточного газа элек тронным пучком. Здесь следует ожидать затяжку фронта импульса тока электронного пучка из-за необходимости «наработки» плазмы требуе мой плотности. Очевидно, что эффективная компенсация пространст венного заряда электронного пучка возможна, лишь если концентрация плазмы nе превышает концентрацию электронов в пучке nв. Время 0, соответствующее достижению условия nе = nв, может быть определено из следующего соотношения [32]:

1/0 = n0и (2eUу/me)1/2. (4.2) Здесь n0 – плотность остаточного газа;

и – сечение ионизации. В усло виях эксперимента при nв = 1010 см–3, n0 = 2,3·1013 см–3, Uу = 10 кВ и и = 10–17 см2 величина 0 = 3 мкс, что намного меньше длительности импульса тока пучка.

Вольт-амперные характеристики плазменного источника электронов представлены на рис. 4.20. Здесь же (кривая 4) приведена зависимость тока пучка от напряжения, рассчитанная по закону «степени 3/2» для плоскопараллельного вакуумного зазора. Как видно из рисунка, диод функционирует в режиме «насыщения», а величина тока в диоде при относительно низких величинах Uу намного превышает случай вакуум ного диода. Максимальный ток пучка достигал 1 кА при эффективности извлечения электронов = 0,5 – 0,7.

158 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ I, А 100 0 4 8 12 16 U, кВ Рис. 4.20. Вольт-амперные характеристики плазменного источника электронов при давлении азота p = 10–1 Па и токе разряда Iр = 600 (кр. 1), 400 (кр. 2) и 270 А (кр. 3).

Кр. 4 – расчетная зависимость по закону степени «3/2»

В электронном источнике на основе тлеющего разряда [32] исполь зуется двухступенчатая разрядная система (рис. 4.21), состоящая из двух последовательно соединенных ячеек тлеющего разряда с полым катодом. Роль первой ступени состоит в инжекции электронного потока во вторую разрядную ячейку. В отличие от электроразрядной системы, Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом Газ R Рис. 4.21. Схема электронного источника на основе тлею щего разряда. Первая разрядная ступень: 1 – катод;

2 – система кольцевых магнитов;

3 – анод. Вторая разрядная ступень: 3 – катод основного разряда;

4 – полый анод;

5 – сетчатое эмиссионное окно;

6 – ускоряющий электрод;

7 – канал дрейфа;

8 – соленоид;

9 – коллектор описанной в [33], в данном случае первая разрядная ячейка, образован ная полым катодом 1 и анодом 3, служит лишь для инициирования ос новного разряда и функционирует при относительно высоком давлении в течение короткого (2 – 3 мкс) промежутка времени. Полый катод выполнен в виде цилиндра (dк = 10 мм, lк = 50 мм), а для снижения на 160 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ пряжения зажигания он помещен в магнитное поле с индукцией 0,1 Тл, создаваемое постоянными кольцевыми самарий-кобальтовыми магнита ми. Электрод 3 одновременно является и катодом основного разряда дли тельностью 12 мкс, зажигаемого на анод. Анод состоит из двух частей:

цилиндра 4 (dа = 80 мм, lк = 100 мм) и плоского сетчатого электрода 5.

В электроде 3 имеется малое отверстие диаметром 6 мм, которое одно временно обеспечивает необходимый перепад давлений между двумя разрядными системами и их связь друг с другом. Извлечение и ускоре ние электронов осуществляется под действием постоянного напряжения, приложенного между эмиссионным сетчатым 5 и цилиндрическим уско ряющим электродами, удаленными друг от друга на расстояние 5 мм.

Диагностика электронного пучка осуществлялась после его транс портировки в трубе дрейфа 7 (dдр = 80 мм, lдр = 300 мм) системой реги страции, состоящей из коллектора 9 с набором малых цилиндров Фара дея, имеющих входной диаметр 3 мм и водоохлаждаемый калориметр.

Для исследования влияния магнитного поля на процесс транспортиров ки пучка в условиях компенсации его пространственного заряда в трубе дрейфа 7 с помощью соленоида 8 создается аксиально-симметричное магнитное поле с индукцией на оси до 0,015 Тл. Для зажигания ини циирующего разряда между катодом 1 и анодом 3 прикладывается им пульсное напряжение амплитудой до 10 кВ длительностью 3 мкс на по лувысоте. Ток основного разряда достигал 180 А при длительности им пульса 12 мкс и частоте их повторения до 25 с–1. Ускорение электронов осуществлялось приложением постоянного напряжения до 15 кВ с ис пользованием 5 мкФ накопительной емкости, обеспечивающей режим работы высоковольтного источника с частичным разрядом емкости и малым уровнем «подсадки» ускоряющего напряжения в течение им пульса тока электронного пучка. Величина расхода рабочего газа (воз духа, азота или аргона) варьировалась в пределах 5 – 20 мПа·м3/с–1, что обеспечивало перепад давлении между полым катодом и анодом в не сколько паскалей. В зависимости от установившегося давления газа ос новной разряд между электродами 3 и 4 зажигается через 1 – 2 мкс по сле инициирования вспомогательного разряда, затем через 2 – 3 мкс разрядный ток переключается на сетчатый электрод 5. Для стимулиро вания переключения разряда на электрод, непосредственно прилегаю щий к области отбора и ускорения электронов, анодный выход источ ника питания основного разряда подсоединен непосредственно к сетча тому электроду, тогда как этот электрод электрически соединен с ано Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом дом через резистор R = 100 Ом. После переключения тока на цилиндри ческую часть анода 4 его величина не превышает нескольких ампер.


Обратим внимание на относительно высокое значение напряжения го рения разряда, достигающие 800 – 900 В. Замыкание анодного компо нента разрядного тока исключительно на сетчатый электрод приводит к возрастанию плотности плазмы в области токоотбора с ne 5·1011 см– до ne 5·1012 см–3, снижению электронной температуры Те с 15 до 10 эВ и переходу от отрицательного прианодного падения потенциала к по ложительному. В этом случае плотность тока эмиссии электронов из плазмы достигает своего максимального значения, равного плотности хаотического тока в плазме:

je = ene(kTe/2m)1/2. (4.3) При реализованных в эксперименте параметрах плазмы je 100 А/см2.

Эффективность извлечения электронов 0,8, что в два раза превыша ло геометрическую прозрачность сетчатого электрода. Такое «несоот ветствие» следует связать с проникновением ускоряющего поля из ус коряющего промежутка в анодную область разрядной системы и фор мированием, таким образом, в каждой элементарной ячейке сетки сфе рически вогнутой эмиссионной плазменной поверхности, площадь ко торой приблизительно в два раза превышает площадь элементарного отверстия в плоскости сетки. Ток эмиссии слабо зависел от величины ускоряющего напряжения. Снижение давления газа в области формиро вания и транспортировки электронного пучка обуславливало резкое возрастание уровня высокочастотной модуляции тока пучка в течение импульса и нестабильность параметров пучка от импульса к импульсу.

Такой характер влияния давления связан, очевидно, с недостаточной компенсацией пространственного заряда электронного пучка из-за низ кой скорости генерации ионов в областях извлечения электронов и их дрейфа.

Генераторы широкоапертурных (S 10 см2) низкоэнергетических ( – 40 кэВ) сильноточных (10 – 30 кА) электронных пучков субмикросе кундной длительности представляют значительный интерес, прежде всего, в связи с перспективностью их использования для поверхностной обработки материалов [34, 35]: повышения износостойкости режущего инструмента, увеличения усталостной прочности лопаток турбин и компрессоров, повышения коррозионной стойкости металлических ма териалов, увеличения электрической прочности вакуумной изоляции и 162 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ др. Один из перспективных методов формирования таких электронных пучков состоит в сочетании взрывоэмиссионного катода [36, 37] с сис темой нейтрализации пространственного заряда электронного пучка на основе плазменного анода. Плазмонаполненные диоды со взрывоэмис сионным катодом превосходят вакуумные диоды такого типа практиче ски по всем статьям: по эмиссионным характеристикам катода и его ре сурсу, плотности тока в ускоряющем промежутке, величине транспор тируемого тока и длине канала транспортировки, по однородности электронного потока в поперечном сечении. Создание дополнительной системы формирования и электропитания плазменного анода не являет ся технически сложной проблемой и с учетом указанных выше пре имуществ вполне себя оправдывает.

В качестве примера приведем описание (рис. 4.22) одной из послед них версий источника низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков (НСЭП) [44]. Основой источника служит пушка с плазменным анодом на основе сильноточного (ток разряда 150 А) отражательного разряда в аргоне. Взрывоэмиссионный катод диаметром 7 или 9 см из готовлен из многопроволочной плетенки (материал проволок – медь или титан), запрессованной в обойму, сделанную из нержавеющей ста ли 12Х18Н10Т. Анодом разряда служит цилиндр с внутренним диамет ром 8 – 10 см и длиной 2 – 4 см. Стабилизация перехода отражательно го разряда в сильноточную стадию обеспечивается большой длительно стью импульса напряжения, подаваемого на анод разряда (около 800 мкс). Напуск рабочего газа осуществляется стационарно.

Внешнее ведущее магнитное поле напряженностью до 2 кЭ создает ся катушками Гельмгольца, питаемыми от конденсаторной батареи.

Электронная пушка пристыкована к рабочей камере, которая снабжена манипулятором для вращения обрабатываемых деталей. Генератор вы соковольтных импульсов (ГИН) собран на базе конденсатора ИК-50/3 и псевдоискрового разрядника ТДИ1-50к/50. Последовательная индук тивность и импеданс генератора составили 200 нГн и 0,25 Ом соответ ственно. Генератор соединен с электронной пушкой передающей лини ей, выполненной из шести параллельных отрезков 50-омного коакси ального кабеля длиной около 1 м.

Были получены следующие параметры пучка: средняя энергия элек тронов – 12 – 15 кэВ, ток пучка – до 30 кА, длительность импульса – 2 – 4 мкс, частота следования импульсов 0,1 – 0,2 Гц, диаметр пучка – до 11 см, плотность энергии – до 15 Дж/см2, неоднородность плотности Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом энергии по сечению пучка – 15 – 20%, эффективность преобразования энергии, запасенной в ГИН, в энергию пучка – около 30%.

С Uз L S Коммутатор 12 6 8 5 кВ, 100 A, 100 мкс 5 Рис. 4.22. Источник низкоэнергетичных сильноточных элек тронных пучков: 1 – проходной изолятор;

2 – катод;

3 – ка тодная плазма;

4 – анод;

5 – анодная плазма;

6 – двойной слой;

7 – экран;

8 и 9 – диафрагмы;

10 – коллектор;

11 – ваку умная камера;

12 – кожух электронной пушки;

13 – ослаби тель измеряемого сигнала;

14 – токовый шунт;

15 – анодный ввод;

16 – соленоиды;

С – конденсатор ИК-50/3;

S – высоко вольтный тиратрон ТГИ -50/50;

L – индуктивность Ключевыми элементами источника НСЭП, определяющими его ра ботоспособность, являются взрывоэмиссионный катод и ГИН. Опыт эксплуатации источников НСЭП показал, что ресурс катода зависит, прежде всего, от вакуумных условий. В условиях откачки паромасля ным диффузионным насосом достигнутый к настоящему времени ре сурс катода составил более 105 импульсов, и он еще не исчерпан. Ана логичный результат получен и при откачке камеры турбомолекулярным 164 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ насосом до давлений 5·10–5 – 10–4 Торр. Однако при откачке турбомоле кулярным насосом до давлений 10–6 Торр в сочетании с сильным запы лением катода нержавеющей сталью (в экспериментах по повышению электрической прочности вакуумной изоляции) ресурс катода заметно снижался (до 1500 импульсов). Критерием отказа мы считали 3%-ю ве роятность срыва генерации пучка. Принимая во внимание, однако, не высокую стоимость самого катода и возможность его быстрой замены, можно считать и этот ресурс удовлетворительным.

Основные элементы ГИН выдержали общую наработку около 70 000 импульсов, причем зачастую в условиях непрерывной работы в течение 8 часов на частоте 0,2 Гц. Эти результаты свидетельствуют о достаточной для технологических применений надежности ГИН.

Особенности эмиссии электронов из нестационарных плазменных образований описаны в разд. 2.5. В настоящем разделе остановимся на предельных параметрах электронного пучка. Механизм ограничения длительности импульса пучка в плазмонаполненных диодах со взрыво эмиссионным катодом является различным в зависимости от способа формирования анодной плазмы. В системе с плазменным анодом на ос нове искровых источников пробой диода обусловлен перекрытием ус коряющего промежутка плотной плазмой, возникающей на кромке анодной диафрагмы при бомбардировке ее электронами пучка [36]. В случае использования для генерации анодной плазмы сильноточного отражательного разряда механизм пробоя ускоряющего промежутка (двойного слоя) является более сложным. Пробой обусловлен двумя ос новными процессами: нарастанием концентрации анодной плазмы вследствие развития пучково-плазменного разряда и пробоем катодной плазмы поперек силовых линий магнитного поля аналогично тому, что наблюдалось в коаксиальных диодах с магнитной изоляцией [38]. Ти пичные осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения и полного тока в катодной цепи приведены на рис. 4.23.

В пользу пробоя поперек силовых линий магнитного поля говорят следы интенсивной эрозии на стенке корпуса электронной пушки, кото рые лежат примерно в плоскости эмиттирующей поверхности катода.

Кроме того, треки катодных пятен наблюдаются в большом количестве и в других местах внутренней поверхности корпуса пушки и рабочей камеры. Увеличение внутреннего диаметра корпуса (что эквивалентно увеличению зазора катод – стенка) приводит к некоторому увеличению длительности импульса. Например, при диаметре 15,8 см средняя дли Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом тельность импульса при давлении аргона 0,5 мТорр составила 2,3 мкс, а при диаметре 20,9 см – 3 мкс.

Рис. 4.23. Типичные осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения (верхний луч, 10,5 кВ/дел.) и полного тока катода (нижний луч, 15 кА/дел.). Н = 2 кЭ, зарядное напряжение ге нератора – 30 кВ, давление аргона – 0,6 мТорр. Диаметр эмиттирующей поверхности катода – 6 см Возникновение треков катодных пятен обусловлено наличием плазмы в пространстве за анодом. Как показали эксперименты [39], концентрация этой плазмы в 3 – 5 раз меньше, чем в основном столбе, но ввиду ее большого объема она вызывает значительные утечки тока. Осуществле ние транспортировки пучка на значительные расстояния (10 см и более) позволяет решить ряд проблем. Во-первых, дополнительно сгладить мик ро-неоднородности пучка, связанные с дискретностью эмиссии электро нов на катоде (особенно в начальной части импульса). Во-вторых, меняя длину транспортировки пучка, можно варьировать плотность его энергии на коллекторе [36]. И, в-третьих, удаление коллектора от ускоряющего зазора позволяет избежать чисто конструктивных сложностей в случае перемещения и вращения обрабатываемых деталей в зоне облучения.


При транспортировке замагниченного электронного пучка в плазме, ионы которой компенсируют объемный заряд пучка, следует считаться с возможностью раскачки апериодических неустойчивостей (пирсов ской и пучково-дрейфовой), приводящих к появлению виртуального ка тода в пучке и к ограничению его тока. Тем не менее, как показали экс перименты, транспортировка низкоэнергетичного электронного пучка с 166 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ током, превышающим пороги раскачки этих неустойчивостей на 1,5 – порядка, реально осуществима, что иллюстрируется осциллограммами на рис. 4.24. Видно, что ток пучка достигает 15 – 20 кА при токе Пирса для данной энергии электронов 150 – 250 А. Наблюдаемые в экспери менте значения тока пучка пока не нашли удовлетворительного объяс нения, поскольку концентрация анодной плазмы недостаточна для обеспечения так называемой «плазменной стабилизации» пучка [40].

Рис. 4.24. Типичные осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения (верхний луч, 10,5 кВ/дел.) и тока пучка на коллек тор (нижний луч, 6,3 кА/дел.). Н = 2 кЭ, зарядное напряжение генератора – 28 кВ, давление аргона в канале транспортировки – 0,6 мТорр. Диаметр эмиттирующей поверхности катода – 6 см Другим явлением, ограничивающим энергию электронного пучка, является релаксация его кинетической энергии в результате коллектив ного взаимодействия с плазмой. Энергия, переданная от пучка плазме, может идти на ее нагрев, возбуждение ВЧ-колебаний, ускорение ионов плазмы [40]. Однако для электронных пучков микросекундной длитель ности доля передаваемой плазме энергии, в среднем, оказалась относи тельно невелика (10 – 15%) и наиболее значительная передача энергии от пучка к плазме наблюдается, в основном, в начальной ( 1 мкс) части импульса [41].

В процессе транспортировки электронного пучка возможны не толь ко спад тока при увеличении длины канала дрейфа или потери кинети ческой энергии пучка, но и трансформация радиального распределения плотности тока (энергии). Например, в [42] наблюдалось увеличение Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом плотности энергии в приосевой области пучка (рис. 4.25, кривая 1) при транспортировке в системе с плазменным анодом на основе искровых источников плазмы. Такого рода «фокусировка» электронного потока обусловлена накоплением ионов в приосевой области канала дрейфа пучка вследствие наличия радиального электрического поля в пучке.

, Дж/см 30 0 1,2 2,4 3,6 r, см Рис. 4.25. Характерные распределения плотности энергии по радиусу пучка, полученные для различных форм катода [34]:

кр. 1 – плоский катод;

кр. 2 – полый катод;

Нz = 4,5 кЭ Появление этого поля, в свою очередь, связано с тем, что концентра ция анодной плазмы в данной системе была сравнима с концентрацией электронов пучка и вблизи коллектора могла стать даже меньше ее, по скольку na примерно обратно `пропорциональна расстоянию анод – коллектор. Для компенсации этого эффекта плоский катод был заменен полым, чтобы принудительно уменьшить плотность инжектируемого пучка в приосевой области. В результате радиальное распределение плотности энергии стало более однородным (рис. 4.25, кривая 2). Сис тема с плазменным анодом на основе сильноточного отражательного разряда позволяет избежать вышеописанной «фокусировки» пучка бла годаря большей (обычно в 3 – 5 раз) концентрации анодной плазмы и ее равномерному распределению вдоль оси распространения пучка. В ре 168 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ зультате концентрация плазмы превосходит концентрацию электронов пучка во всем дрейфовом канале, и объемный заряд пучка оказывается полностью компенсированным. Таким образом, распределение плотно сти энергии по сечению пучка, в основном, задается первоначальным распределением концентрации плазмы в столбе разряда. Поскольку сильноточный отражательный разряд функционирует с катодными пят нами, то их распределение по поверхности катодов задает радиальный профиль na(r). С помощью зондовых измерений плотности ионного тока и фотографирования свечения разряда [36, 43] было установлено, что увеличение тока разряда приводит к росту числа катодных пятен в пе риферийной (по радиусу) области разряда и, как следствие, к улучше нию равномерности распределения na(r). В результате происходит соот ветствующее улучшение распределения плотности энергии по сечению пучка (рис. 4.26).

W, Дж/см2 W, Дж/см 10 а 10 б 8 6 4 2 0 3 0 1 2 4 1 2 r, см r, см Рис. 4.26. Распределение плотности энергии по сечению пучка для различных зна чений тока отражательного разряда: 80 (a) и 150 A (б). В случае (б) представлены два распределения для различных значений длины канала транспортировки l = (1) и 22 cм (2);

H = 2 кЭ, p = 6·10–4 Торр Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом 4.5. Электронный источник с плазменным катодом для генерации ленточного пучка в форвакуумном диапазоне давлений Для реализации технологии осаждения покрытий большой площади привлекательна идея плазмохимической реакции в объеме «плазменно го листа» [45]. Такая технология требует использования электронного источника, формирующего непрерывный ленточный электронный пу чок в «плохом» вакууме, т.е. в диапазоне давлений, оптимальном для обеспечения приемлемых скоростей химических реакций. Это, как пра вило, область от 10–2 до 1 Торр. Указанный диапазон давлений исклю чает возможность применения термокатодных источников, делая прак тически безальтернативным использование эмиссии электронов из га зоразрядной плазмы. Существующие плазменные источники электро нов не обеспечивают для указанного применения необходимых пара метров, главным образом, по диапазону рабочих давлений. В разд. 3. описаны плазменные источники электронов на основе разряда с полым катодом, способные генерировать непрерывные пучки цилиндрической конфигурации в форвакуумном диапазоне давлений. Расширение рабо чего диапазона давлений плазменных источников электронов в область форвакуумных значений удалось осуществить в результате создания различных условий для ионизации в разрядном и ускоряющем проме жутках при отсутствии между ними перепада давлений. Настоящий раздел описывает особенности конструкции и представляет результаты исследования режимов работы плазменного электронного источника, генерирующего в форвакуумном диапазоне давлений ленточный элек тронный пучок [46 – 48].

4.5.1. Конструкция источника электронов К особенностям работы плазменного электронного источника в об ласти форвакуумных давлений следует отнести, во-первых, ионизацию газа в ускоряющем промежутке и, как следствие, формирование обрат ного потока ионов, попадающих в плазму и изменяющих ее параметры.

Во-вторых, распространяющийся электронный пучок, как правило, об разует вторичную плазму, которая становится виртуальным ускоряю щим электродом. При этом конфигурация самого ускоряющего элек трода, как и протяженность ускоряющего промежутка не играют суще ственной роли. Наконец, третья особенность состоит в повышенной ве 170 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ роятности зажигания разряда в ускоряющем промежутке, что обычно квалифицируется как пробой. Как следует из проведенных нами ранее исследований [49], возможны два типа пробоя: межэлектродный и плазменный. Первый реализуется между электродами ускоряющей сис темы, второй – между эмиттирующей (разрядной) плазмой и ускоряю щим электродом. Предотвращение первого типа пробоя достигается эк ранировкой периферийных частей ускоряющей системы. Для устране ния пробоя второго типа необходимо принимать меры по стабилизации плазменной границы.

Этим условиям в значительной степени удовлетворяет конструкция плазменного источника электронов для генерации ленточного элек тронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений, схематично пред ставленная на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Плазменный источник ленточного пучка элек тронов: 1 – полый катод;

2 и 4 – изоляторы;

3 – анод;

5 – ускоряющий электрод;

6 – эмиссионная сетка Её основные элементы традиционны для плазменных источников электронов и представляют собой разрядную камеру и ускоряющую сис тему. Разрядная камера включает в себя водоохлаждаемый полый катод прямоугольного сечения с внутренними размерами 300 80 40 мм.

В стенке полости, обращенной к также водоохлаждаемому аноду 3, вы полнена щель шириной 25 мм и длиной 260 мм. Соосная ей эмиссион ная щель в аноде 3 размером 260 20 мм перекрыта металлической сет кой 6 с размером ячейки 0,5 0,5 мм. Ускоряющий электрод 5 – пло ский, размер щели в нем 300 40 мм. Электроды разрядной и уско Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом ряющей систем электрически изолированы друг от друга капролоновы ми изоляторами 2 и 4. Изоляторы снабжены экранами для предотвра щения воздействия на них плазмы и потоков частиц. Схема электриче ского питания обеспечивает работу устройства в непрерывном режиме.

Соответствующие приборы измеряют ток разряда Id, ток нагрузки вы соковольтного выпрямителя – ток эмиссии Ie. Пучок электронов прини мается на коллектор 6, удаленный от ускоряющего электрода на 20 см.

В отличие от традиционных систем с плазменным катодом, в форваку умном диапазоне не удается создать перепада давлений между разряд ным и ускоряющим промежутком. Поэтому необходимое давление в электронном источнике достигается напуском газа непосредственно в вакуумную камеру. Регулировка концентрации плазмы производится изменением разрядного тока. Энергия электронного пучка определяется величиной ускоряющего напряжения, приложенного между анодом 3 и заземленным ускоряющим электродом 5. Фотография разрядной каме ры электронного источника представлена на рис. 4.28.

Рис. 4.28. Фотография разрядной камеры плазменного источ ника электронов 4.5.2. Характеристики электронного источника Описываемый электронный источник обеспечивает при давлении газа 10 – 40 мТорр генерацию ленточного пучка электронов (250 10 мм2) с энергией 2 – 6 кэВ и током до 1 А в непрерывном режиме. При этом 172 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ эффективность эмиссии, т.е. отношение эмиссионного тока к разрядно му, оказывалась не менее 70%. Зависимости тока эмиссии Iэ и тока кол лектора Iк от ускоряющего напряжения (рис. 4.29) имеют явно выра женные участки насыщения, что однозначно указывает на существова ние ускоренного электронного пучка. Важной характеристикой ленточ ного пучка является его линейная однородность.

I, мА 0 1 2 3 4 Uуск, кВ Рис. 4.29. Вольт-амперные характеристики плазменного ис точника электронов при токе разряда Iр = 500 мА и давлениях азота, Па: кр. 1 – 3,7;

кр. 2 – 5,3;

3 – 6, Для исследования распределения линейной плотности тока произво дились измерения тока на перемещаемый зонд, в качестве которого ис пользовалась вольфрамовая проволока диаметром 1 мм, располагаемая перпендикулярно плоскости пучка на расстоянии 2 см от ускоряющего электрода. Типичные кривые распределения линейной плотности тока на коллектор представлены на рис. 4.30. Следует отметить, что это рас пределение зависит от давления газа. При давлениях ниже 10 мТорр плотность тока монотонно спадает от середины к краям пучка, в то вре мя как при больших давлениях появляются максимумы по краям пучка (кривая 1, рис. 4.30). При дальнейшем повышении давления ленточный пучок исчезает вовсе, и эмиссия электронного пучка представляет со бой совокупность «струй». Эти струи располагаются, как правило, на краях эмиссионной щели, однако возможно их появление и на других ее участках. Появление в пучке локальных максимумов плотности тока, Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом 1, Линейная плотность тока, отн.ед.

0, 0, 0, 0, -150 -100 -50 0 50 100 Расстояние от центра, мм Рис. 4.30. Характерные распределения линейной плотности тока в плазменном источнике ленточного пучка электронов для тока пучка 300 мА, ускоряющего напряжения 5 кВ, дав ления газа (азота) 5,3 Па: кр. 1 – типичный случай;

кр. 2 – по сле принятия специальных мер имеющих вид струй, представляет собой одну из особенностей процес са формирования ленточного электронного пучка в источнике с плаз менным катодом в форвакуумном диапазоне давлений.

Зависимость распределения плотности тока в пучке от давления, а также наши оценки позволяют предложить один из возможных меха низмов возникновения и существования локальных максимумов. Суть его состоит в следующем. Малые начальные неоднородности в распре делении электронного пучка, вызванные либо краевыми эффектами, либо локальной кривизной эмиссионной сетки, приводят к неоднород ностям обратного потока ионов, образованных в ускоряющем проме жутке. Эти ионы, попадая в разрядную плазму и перезаряжаясь в ней, усиливают начальные неоднородности. Рост локальных максимумов концентрации уравновешивается диффузией частиц плазмы, что в итоге приводит к некоторой стационарной ситуации. Локальное увеличение плотности тока эмиссии может происходить не только за счет непо средственного роста концентрации плазмы, но и вследствие уменьше ния толщины слоя в пределах каждой ячейки анодной сетки. Это 174 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ уменьшение обусловлено, отчасти, влиянием потенциала ускоряющего электрода. Ослабление этого влияния удалось достичь, делая сетку двойной, причем вторая сетка с ячейкой 2 2 мм была обращена к ус коряющему электроду. Для устранения максимумов на краях пучка продольный размер выходной щели катодной полости несколько пре вышал размер эмиссионной щели в аноде.

Принятие указанных мер (кривая 2, рис. 4.30) позволило обеспечить равномерность плотности электронного тока в пучке не хуже 20 % при ширине пучка 250 мм в диапазоне давлений 10 – 35 мТорр. При этом ток пучка варьировался в пределах 0,5 – 1 А, а ускоряющее напряжение – в интервале 3 – 7 кВ. Указанные параметры делают возможным при менение представленного источника для генерации пучковой плазмы в «форме плазменного листа» с последующим использованием для ини циирования плазмохимических реакций.

4.5.3. Параметры «плазменного листа», генерируемого ленточным электронным пучком Схематичное изображение эксперимента по измерению параметров плазмы, генерируемой ленточным электронным пучком, показано на рис. 4.31. Электронный пучок 2 имел непосредственно на выходе из эмис сионной щели источника 1 сечение 10 250 мм. Для предотвращения «расплывания» пучка в экспериментах использовалось продольное маг нитное поле (0,005 – 0,01 Tл), совпадающее с направлением распростране ния пучка. Магнитное поле создавалось двумя катушками прямоугольного сечения. В качестве рабочего газа был выбран аргон, напуск которого осу ществлялся непосредственно в рабочую камеру. Распределение плотности тока электронного пучка по его се чению исследовалось с помощью малого коллектора 3 с коллими B рующим отверстием диаметром 3 мм. Коллектор был расположен 3 на расстоянии 10 см от плазменно го электронного источника и мог перемещаться в плоскости, пер Y пендикулярной направлению рас X пространения электронного пучка.

Для измерения параметров плазмы Рис. 4.31. Схема эксперимента:

1 – источник;

2 – пучок;

3 – коллектор использовался двойной зонд, со Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом стоящий из двух идентичных одиночных цилиндрических вольфрамовых зондов диаметром и длиной 1 и 2 мм соответственно. Зонд устанавливался вместо коллектора и был ориентирован таким образом, чтобы электронный пучок не попадал на его принимающую поверхность.

На рис. 4.32 представлено типичное распределение плотности элек тронного тока по сечению пучка (а), а также соответствующие ему рас пределения концентрации плазмы (б) и температуры электронов (в). От метим, что в условиях эксперимента электронная температура составля ет величину Te = 2 – 4 эВ, и она практически не зависит от пространст венной координаты (рис. 4.32, в). Для более детального изучения про цессов, обуславливающих однородность параметров «плазменного а б 21 18 Je, мA/cм ne•10–10, cм– Y, cм Y, cм 12 9 5 2 -2 0 -2 X,cм X, cм в Y, cм Te, эВ 0 - X, cм Рис. 4.32. Распределение плотности пучка (а), плотности (б) и электронной температуры (в) плазмы в плоскости, перпенди кулярной направлению распространения пучка 176 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ листа», были проведены измерения концентрации плазмы вдоль протя женного размера в средней части плазменного образования. В качестве внешних параметров были выбраны общий ток пучка, давление газа и индукция магнитного поля. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением давления газа концентрация плазмы возрастает.

Аналогичный рост имеет место и при увеличении тока пучка. Усиление аксиального магнитного поля вызывает «обострение» распределения плотности плазмы.

Физическая модель, положенная в основу описания образования плазмы электронным пучком, содержит ряд допущений, справедливость которых обусловлена условиями эксперимента. Возникновение ионно электронных пар происходит за счет ионизации нейтральных молекул быстрыми электронами. Коллективные явления незначительны в силу низкой плотности тока электронов в пучке. Уход заряженных частиц из области ионизации осуществляется посредством амбиполярной диффу зии. Рекомбинация в объеме отсутствует. Поскольку результаты экспе римента свидетельствуют о высокой однородности пучка и плазмы в поперечном направлении вдоль протяженного размера пучка (ось Y, рис. 4.32), то это позволяет использовать одномерную модель. В основу расчета положено уравнение непрерывности для потока ионов и элек тронов, имеющее в одномерном случае вид dj =S, (4.4) dx где j – плотность потока частиц плазмы, 1/(м2·с);

S – скорость генерации ионно-электронных пар, 1/(м3·с), которую можно записать в виде j ( x) S= b, (4.5) e ei где jb(x) – плотность тока пучка, А/м2;

ei – средняя длина ионизации, м;

e – заряд электрона, Кл.

Плотность потока частиц, покидающих плазму, рассчитывается по известному соотношению, описывающему процесс амбиполярной диф фузии:

dn j = Da, (4.6) dx где Da – коэффициент амбиполярной диффузии, учитывающий влия ние магнитного поля, м2/с, определяемый выражением Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом Da Da =, (4.7) i e 1+ ri re где Da0 – коэффициент амбиполярной диффузии в отсутствие магнитно го поля, м2/с;

i, e – длины свободного пробега ионов и электронов со ответственно, м;

ri, re – радиусы циклотронного вращения для ионов и электронов соответственно, м.

Подставив все формулы в выражение (4.4), получим уравнение для расчета распределения концентрации заряженных частиц вдоль коор динаты х:

d 2n jb ( x) + =0. (4.8) ei e Da dx В качестве первого граничного условия примем нулевое значение dn градиента концентрации плазмы в средней части плазменного обра dx зования. Другое граничное условие определяется из расчета концентра ции плазмы n на границе плазма – слой по известному соотношению Бома ji n=. (4.9) 2kTe 0, 4e Mi Плотность тока ионов ji была рассчитана из условия баланса ионов в предположении, что все рождающиеся ионы уходят на стенки в направ лении оси X. В качестве функции jb(x) была взята экспериментальная зависимость, полученная в результате измерений плотности тока элек тронного пучка. Результаты расчета распределения концентрации плаз мы вдоль координаты х представлены сплошными линиями на рис. 4.33.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что пространствен ное распределение параметров плазмы определяется, главным образом, характером распределения плотности электронного тока в пучке. Вме сте с тем сравнение рис. 4.33 a и б указывает на значительную роль диффузионных процессов, приводящих к заметному «сглаживанию»



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.