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 |   ...   | 3 | 4 ||

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

-- [ Страница 5 ] --

распределения плотности плазмы. Предложенная модель в основном адекватно описывает происходящие процессы, о чем свидетельствует 178 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных зави симостей. Вместе с тем расчет дает более резкую зависимость вида рас пределения от магнитного поля по сравнению с экспериментом. Воз можные причины этого могут быть связаны, на наш взгляд, с необхо димостью учета движения частиц не только поперек, но и вдоль маг нитного поля.

10 3 10 ne10 ne, см, см б а 3,0 2,5 4 2,0 1, 1, -2 -1 0 1 2 -3 -2 -1 0 1 X, cм X, cм Рис. 4.33. Экспериментальные (кр. 1 – 3, 7, 8) и расчетные (кр. 4 – 6, 9, 10) распре деления концентрации плазмы для различных токов эмиссии Ie, давлений p аргона (а) и индукции B магнитного поля (б): Ie = 400 (кр. 1, 2, 4, 5, 7 – 10) и 600 мA (кр. 3, 6);

p = 6 (кр. 1, 3, 4, 6 – 10) и 9 Па (кр. 2, 5);

B = 5,4 (кр. 1 – 7, 9) и 10,5 мTл (кр. 8, 10) Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что электронный пучок ленточной конфигурации, генерируемый плазмен ным источником электронов в форвакуумной области давлений, может быть эффективно использован для получения плоского однородного плазменного образования большой площади. Достигнутая в экспери ментах концентрация плазмы достаточна для ее использования в техно логиях синтеза пленок и модификации образцов, имеющих протяжен ные плоские поверхности.

Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом Литература к главе 1. Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большо го сечения. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 112 с.

2. Broad beam electron guns with plasma cathodes / N.N. Koval, E.M. Oks, Yu. E. Kreindel, P.M. Schanin and N.V. Gavrilov // Nucl. Instrum. Methods in Phys. Research. – 1992. – V. A312. – P. 417 – 428.

3. Окс Е.М., Щанин П.М. Высоковольтный источник электронов с плаз менным катодом и высокой плотностью энергии пучка в импульсе // Приборы и техника эксперимента. – 1988. – Вып. 3. – С.166 – 169.

4. Галанский В.Л., Крейндель Ю.Е., Окс Е.М. и др. Эмиссионные свойства анодной плазмы дугового контрагированного разряда низкого давления // ЖТФ. – 1987. – Т. 57. – Вып. 5. – С. 877 – 882.

5. Гаврилов Н.В., Крейндель Ю.Е., Окс Е.М., Щанин П.М. Переход дугово го разряда низкого давления из контрагированного в каскадный режим горения // ЖТФ. – 1983. – Т. 53. – № 10. – С. 1947 – 1951.

6. Крейндель Ю.Е., Окс.Е.М., Щанин П.М. Импульсный источник электро нов с плазменным эмиттером на основе каскадной дуги // Приборы и техника эксперимента. – 1984. – Вып. 4. – С. 127 – 130.

7. А.с. № 746769 СССР. Плазменный источник электронов / Казьмин Г.С., Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. – Опубл. в Б.И. – 1980. – № 25. – С. 334.

8. Пошехонов П.В., Рыжков А.М., Соловьев В.И. Механизм вакуумного пробоя, инициируемого брмбардировкой анода электронным пучком // ЖТФ. – 1977. – Т. 47. – Вып. 3. – С. 551 – 555.

9. Вайсбурд Д.И., Матлис С.Б., Окс Е.М. и др. Зависимость среднего поро га хрупкого разрушения кристаллов KCl электронным пучком от дли тельности импульса облучения // ЖТФ. – 1986. – Т. 56. – Вып. 10. – С. 2049 – 2050.

10. Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Е., Месяц Г.А. и др. Эффективное использо вание дуги низкого давления в сетчатом плазменном эмиттере электро нов // Письма в ЖТФ. – 1983. – Т. 9. – Вып. 9. – С. 568 – 572.

11. Гушенец В.И., Коваль Н.Н., Щанин П.М. Сильноточный электронный ускоритель с плазменным катодом // Сильноточная электроника: Мате риалы VI Всес. симп. – Томск: ИСЭ СО РАН, 1986. – Ч. 2. – С. 112 – 114.

12. Винтизенко Л.Г., Гушенец В.И., Коваль Н.Н., Месяц Г.А. Генерация в инертных газах при накачке электронным пучком ускорителя с плаз менным катодом // ДАН СССР. – 1986. – Т. 288. – Вып. 3. – С. 609 – 612.

180 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ 13. Gilmour A.S., Jr., Lockwood D.L. Pulsed Metallic-Plasma Generators // Proc.

IEEE. – V. 60. – No. 8. – 1972. – P. 977 – 991.

14. Галанский В.Л., Груздев В.А., Зеленский В.И. и др. Эмиссионные харак теристики источника электронов с плазмой, ограниченной пристеноч ным ионным слоем // ЖТФ. – 1992. – Т. 62. – № 6. – С. 108 – 115.

15. Koval N.N., Kreindel Yu.E., Tolkachev V.S., Schanin P.M. The effect of gas on development of a vacuum arc with a hollow anode // IEEE Transactions on Electr. Insul. – 1985. – V. EI-20. – P. 735 – 737.

16. Козырев А.В., Королев Ю.Д., Шемякин И.А. Процессы в катодной об ласти дугового разряда низкого давления // Изв. вузов. Физика. – 1994. – № 3. – С. 5 – 23.

17. Казьмин Г.С., Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Е. и др. Электронный ускори тель с большим сечением пучка // Приборы и техника эксперимента. – 1977. – Вып. 4. – С. 19 – 20.

18. Гаврилов Н.В., Ковальчук Б.М., Крейндель Ю.Е. и др. Высоковольтный электронный источник с плазменным эмиттером для формирования пучков большого сечения // Приборы и техника эксперимента. – 1981. – Вып. 3. – С. 152 – 154.

19. Винтизенко Л.Г., Гаврилов Н.В., Коваль Н.Н. и др. Импульсные высоко вольтные источники электронов с плазменным эмиттером для форми рования пучков большого сечения // Источники электронов с плазмен ным эмиттером: Сб. статей / Под ред. проф. Ю.Е. Крейнделя. – Новоси бирск: Наука, 1983. – С. 41 – 59.

20. Гаврилов Н.В., Гушенец В.И., Коваль Н.Н. и др. Электронные источники с плазменным катодом для получения пучков большого сечения // Ис точники заряженных частиц с плазменным эмиттером: Сб. статей / Под ред. проф. П.М. Щанина. – Екатеринбург: Наука, 1993. – С. 42 – 78.

21. Гушенец В.И., Коваль Н.Н., Кузнецов Д.Л. и др. Высокочастотная генера ция импульсных электронных пучков большого сечения // Письма в ЖТФ. – 1991. – Т. 17. – Вып. 23. – С. 26 – 29.

22. Giclens S.W.A., Peters P.J.M., Witterman W.J., et al. A long pulse 300 keV electron gun with a plasma cathode for high pressure gas laser // Rev. Sci.

Instrum. – 1996. – V. 67. – No. 7. – P. 2449 – 2452.

23. Ефремов А.М., Ковальчук Б.М., Крейндель Ю.Е. и др. Высоковольтный импульсный источник электронов с плазменным эмиттером для полу чения радиально расходящегося пучка // Приборы и техника экспери мента. – 1987. – Вып. 1. – С. 167 – 169.

24. Кассиров Г.М., Коваль Н.Н., Чекрыгин В.Н. Предпробойные явления в вакуумном изоляторе электроимпульсной установки на 1,3 МВ // При боры и техника эксперимента. – 1989. – Вып. 3. – С. 99 – 101.

Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом 25. Vintizenko L.G., Gushenets V.I., Koval N.N., Tolkachev V.S., Schanin P.M.

Convergent electron beam accelerator with plasma cathode // Proc. VII In tern. Conf. on High Particle Beams, BEAMS-88. – Karlsruhe, Germany, 1988. – V. 2. – P. 1491 – 1496.

26. Oks E.M. and Brown I.G. Electron beam extraction from a broad beam vac uum arc metal plasma source // IEEE Trans. on Plasma Science. – 1998. – V. 26. – No. 5. – P. 1562 – 1565.

27. Bugaev S.P., Gushenets V.I., Schanin P.M. Controlling the emission current from a plasma cathode // Proc. IX Intern. Conf. on High Particle Beams, BEAMS-92. – Washington, USA, 1992. – V. 2. – P. 1099 – 1105.

28. Krokhmal A., Gleizer J.Z., Krasik Ya.E., et al. Electron beam generation in a diode with a gaseous plasma electron source I: Plasma source based on a hol low anode ignited by a multi-arc system // Journal of Applied Physics. – 2003. – V. 94. – No. 1. – P. 44 – 54.

29. Krokhmal A., Gleizer J.Z., Krasik Ya.E., et al. Electron beam generation in a diode with a gaseous plasma electron source II: Plasma source based on a hollow anode ignited by a hollow-cathode source, // Journal of Applied Phys ics. – 2003. – V. 94. – No. 1. – P. 55 – 61.

30. Batalin V.A, Bugaev A., Gushenets V., et al. Electron beam enhancement of the metal vapor vacuum arc ion source // Journal of Applies Physics. – 2002.

– V. 92. – No. 5. – P. 2884 – 2889.

31. Gushenets V.I. and Schanin P.M. High current electron sources and accelera tor with plasma emitters // Emerging Applications of Vacuum-Arc-Produced Plasma, Ion and Electron Beams / Ed. by Efim Oks and Ian Brown. – Kluwe Academic Publishers, The Netherlands, 2002. – P. 91 – 104.

32. Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. Получение сильноточных низкоэнергетичных электронных пучков в системах с плазменным ка тодом // Изв. вузов. Физика. – 2001. – № 9. – С. 36 – 43.

33. Визирь А.В., Окс Е.М., Щанин П.М., Юшков Г.Ю. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для источников широкоапертурных ионных пучков // ЖТФ. – 1997. – Т. 67. – Вып. 6. – С. 611 – 614.

34. Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., and Ozur G.E. // Proc. of 11th Int. Conf.

on High Power Particle Beams (BEAMS-96). – Prague, Czech Republic, June, 1996. – V. I. – P. 259 – 262.

35. Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E., et al. // Journal of Vac. Sci. & Techn. – 1998. – V. A16(4). – P. 2480 – 2488.

36. Назаров Д.С., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Генерация низкоэнерге тичных сильноточных электронных пучков в пушке с плазменным ано дом // Изв. вузов. Физика. – 1994. – № 3. – С. 100 – 114.

182 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ 37. Ozur G.E., Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Markov A.B. Production and application of low-energy, high-current electron beams // Laser & Particle Beams. – 2003. – V. 21. – No. 2. – P. 157 – 173.

38. Бугаев С.П., Ким А.А., Кошелев В.И., Хряпов П.А. О движении эмисси онной границы катодной плазмы поперек однородного магнитного поля в диодах со взрывной эмиссией // Изв. АН СССР, сер. физич. – 1982. – Т. 46. – № 7. – С. 1300 – 1305.

39. Карлик К.В., Мягков А.С., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Исследование характеристик генератора плазмы на основе сильноточного отража тельного разряда низкого давления // Труды 6-й Междунар. конф. по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы. – Томск, Россия, 23 – 28 сентября 2002 г. – 2002. – С. 96 – 99.

40. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме. – М.: Энергоатомиздат, 1982.

41. Назаров Д.С., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Потери энергии низко энергетичного сильноточного электронного пучка при транспортировке в разреженной плазме // Физика плазмы. – 1995. – Т. 21. – № 2. – С. – 179.

42. Назаров Д.С., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Источник плотных им пульсных электронных пучков с энергиями электронов до 40 кВ // При боры и техника эксперимента. – 1996. – № 4. – С. 83 – 88.

43. Ozur G.E., Myagkov A.S., Proskurovsky D.I. Transportation of low energy high current electron beam in a long plasma channel // Proc. of the 12th Symposium on High Current Electronics. – Tomsk, Russia, September 24 – 29, 2000. – P. 115 – 117.

44. Ozur G.E., Proskurovsky D.I., Karlik K.V. Pulsed electron-beam facility with improved purity of the treatment process // Proc. of 7th International Conf.

on Modification of Materials with Particle Beams and plasma Flows. – Tomsk, Russia, 25 – 29 July, 2004. – P. 20 – 23.

45. Manheimer W.M., Fersner R.F., Lampe M. and Meger R.A. Theoretical overview of the large-aria plasma processing system (LAPPS) // Plasma Sources Sci. Technol. – 2000. – V. 9. – P. 370 – 386.

46. Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Окс Е.М, Федоров М.В. Особенно сти формирования однородного ленточного пучка электронов плазмен ным источником в форвакуумной области давлений // ЖТФ. – 2004. – Т. 74. – № 1. – С. 104 – 107.

47. Бурдовицин В.А., Окс Е.М, Федоров М.В. Параметры «плазменного лис та», генерируемого ленточным электронным пучком в форвакуумной области давлений // Изв. вузов. Физика. – 2004. – № 3. – С. 74 – 77.

48. Бурдовицин В.А, Бурачевский Ю.А., Окс Е.М., Федоров М.В. Электрон ный источник с плазменным катодом для генерации ленточного пучка в Глава 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом форвакуумном диапазоне давлений // Приборы и техника эксперимента.

– 2003. – № 2. – С. 127 – 129.

49. Бурдовицин В.А., Куземченко М.Н., Окс Е.М. Об электрической прочно сти ускоряющего промежутка плазменного источника электронов в форвакуумном диапазоне давлений // ЖТФ. – 2002. – Т. 72. – № 7. – С. 134 – 136.

50. Гаврилов Н.В., Осипов В.В., Бурев О.А. и др. Плазменный катод элек тронного ускорителя с большим сечением пучка // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т.31. – Вып. 3. – С. 72 – 78.

Глава НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ В начале своего развития, приблизительно в 60-х годах прошлого столетия, плазменные эмиттеры электронов рассматривались как одна из наиболее серьезных альтернатив термокатодам. Однако и в настоя щее время, как 50 лет назад, потребность в электронных пучках в по давляющем большинстве случаев удовлетворяется источниками с като дом на основе термоэлектронной эмиссии. Никакие другие альтерна тивные методы эмиссии электронов не нашли широкого применения.

Несмотря на это, интерес к источникам электронов с плазменным като дам продолжает оставаться достаточно высоким. Такая ситуация во многом обусловлена рядом замечательных свойств плазменных эмитте ров электронов, обеспечивающих им существенные преимущества пе ред термокатодами.

Как уже отмечалось, одним из главных достоинств источников элек тронов с плазменным катодом является их некритичность к работе при повышенных давлениях или в агрессивных средах, там, где ресурс тер мокатода снижется до уровня, меньшего требуемого времени обработки электронным пучком. Эти преимущества существенно усиливаются при генерации импульсных сильноточных электронных пучков, пучков большого сечения, а также при переходе в форвакуумную область дав лений. Специфические свойства электронных источников с плазменным катодом делают привлекательным их применение в таких областях, как электронно-лучевая сварка и наплавка, модификации поверхностных свойств материалов, генерация электромагнитного излучения, радиаци онные и плазмохимические технологии и других.

Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом В настоящей главе приводятся примеры и результаты применения электронно-лучевой аппаратуры на основе источников с плазменным эмиттером в электронно-лучевой сварке, наплавке, модификации по верхности импульсными пучками, а также для получения углеродных покрытий. Следует отметить, что область применения источников элек тронов с плазменным катодом гораздо шире и включает в себя генера цию электромагнитного излучения [33, 34], накачку лазерных сред [35, 36], радиационную технологию [37, 38]. Для более детального оз накомления с этими направлениями использования плазменных ис точников электронов рекомендуется обращаться к соответствующим публикациям.

5.1. Электронно-лучевая сварка Накопленный опыт лабораторных и производственных испытаний электронных источников с плазменным эмиттером позволил выявить их технологические возможности, особенности эксплуатации и наиболее целесообразные области применения. Показано, в частности, что высо кая эмиссионная способность плазмы обеспечивает генерацию элек тронных пучков, которые по яркости и плотности мощности находятся на уровне современных термокатодных электронных источников.

Плазменные источники не теряют работоспособности при воздействии паров металлов, в том числе тугоплавких, и газовых выбросов из зоны сварки, имеют большой ресурс, удобны в эксплуатации [1, 2]. Совокуп ность этих свойств позволяет использовать источники с плазменным эмиттером в традиционных электронно-лучевых сварочных процессах [3 – 7].

Электронные источники с плазменным эмиттером обладают необхо димым набором параметров, позволяющим успешно применять их для многократных проплавлений в условиях массового поточного произ водства различных изделий. Именно электронно-лучевая сварка являет ся той областью промышленного производства, в которой электронные источники с плазменным катодом нашли наиболее широкое примене ние. За разработку сварочного электронно-лучевого оборудования на основе систем с плазменным катодом коллектив авторов под руково дством профессора Ю.Е. Крейнделя одним из первых был удостоен Го сударственной премии Российской Федерации в области науки и техни ки. На протяжении ряда лет этим коллективом было внедрено более 186 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ электронно-лучевых энергокомплексов в отечественной промышленно сти. Фотографии электронно-лучевой сварочной установки с плазмен ным источником электронов и сфокусированного электронного пучка представлены на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Фотографии электронно-лучевой сварочной установки с плазменным ис точником электронов и сфокусированного электронного пучка Опыт эксплуатации сварочных источников с плазменным эмиттером накоплен на одном из промышленных предприятий [8 – 10], где элек тронные источники с плазменным эмиттером на протяжении ряда лет эксплуатируются в составе модернизированных энергокомплексов У-250, ЭЛА-50/5, ЭЛА-60/15 на поточных линиях сварки тепловыде ляющих элементов (ТВЭЛов). В тепловыделяющих элементах атомных станций ядерное топливо помещается в герметичную тонкостенную ме таллическую оболочку. Герметичность оболочки является основным показателем, определяющим работоспособность ТВЭЛа при его экс плуатации в реакторе. Целостность оболочки ТВЭЛа должна сохранять ся в течение всего срока его работы, который в зависимости от типа и условий работы ТВЭЛа может достигать нескольких лет.

Оболочки ТВЭЛов изготавливаются в основном из сплавов цирко ния или алюминия, а их герметичность обеспечивается сваркой. Цирко ний и его сплавы при повышенных температурах проявляют высокую активность по отношению к кислороду, азоту, водороду. В связи с этим при герметизации ТВЭЛа важно обеспечить хорошую защиту зоны сварки. Такая защита обеспечивается сваркой циркония в вакууме при давлении не выше 10–3 Па. Сварка сплавов алюминия может выпол няться при более высоком давлении остаточного газа в вакуумной ка мере, которое определяется в основном требованиями существующей Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом технологии изготовления изделий и возможностями оборудования для ЭЛС.

Сварной шов ТВЭЛа имеет, как правило, относительно небольшую длину. Однако из-за значительных объёмов производства ТВЭЛов сум марная длина сварных швов, выполняемых в течение года, может дос тигать нескольких десятков километров. Выпуск большого объёма од нотипных изделий может быть достигнут в условиях автоматизирован ного поточного производства. Поточное производство предъявляет по вышенные требования к надёжности, стабильности работы оборудова ния технологических линий. В состав сварочных линий, как правило, входят специализированные установки с непрерывной подачей изделий в зону сварки, с использованием шлюзовых камер и устройств. Высокая производительность и ритм работы таких линий допускают остановки отдельного оборудования лишь на короткое время. Ремонт, наладка, за мена отдельных узлов сварочного оборудования влекут за собой допол нительные простои из-за необходимости подтверждения работоспособ ности установки и соответствия качества сварных соединений установ ленным требованиям путём сварки и последующего контроля образцов свидетелей.

Электронные источники с термокатодными узлами, использовав шиеся некоторое время в сварочных установках для герметизации ТВЭЛов, не могли в полной мере удовлетворить требования поточного производства по следующим причинам:

- ограничен ресурс источников. Прямонакальный термокатод в сред нем до замены позволял выполнить около 3 – 4 тысяч сварок;

- систематически имели место случаи аварийного выхода термока тода из строя в гораздо более быстрые сроки, в том числе из-за крат ковременного снижения вакуума в камере при шлюзовой загрузке из делий;

- применение триодных термокатодных источников с танталовыми подогревателями и боридлантановыми катодами усложнялось необхо димостью поддерживать температуру подогревателя и катода выше температуры плавления свариваемого материала (для сплавов циркония более 1800 градусов). При более низкой температуре происходило бы строе отравление катода конденсирующимися парами циркония;

- необходимость использования дифференциальной откачки из ка меры и непосредственно из источника требует дополнительных затрат на создание и обслуживание таких систем.

188 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ Перечисленные недостатки, присущие термокатодным электронным источникам, не позволяли в полной мере обеспечить стабильную работу поточных линий. В связи с этим были внедрены электронные источники с плазменным эмиттером.

Ресурс работы электронного источника ограничивается эрозией электродов в разряде, приводящей к изменению их геометрических размеров и запылению разрядной камеры катодным материалом. Одна ко эрозионные процессы идут относительно медленно, а напыление пе риодически удаляется чисткой электродов во время планово-предупре дительных ремонтов установок, что обеспечивает работоспособность источника в течение длительного времени. Для восстановления работо способности источника достаточно заменить изношенные детали, кото рые представляют собой тела вращения и могут быть изготовлены на универсальном токарном оборудовании. В качестве материала электро дов используется, как правило, обыкновенные широко применяемые стали. В то же время ресурс работы источника увеличивается примерно в 1,5 раза, если в конструкции электродов применять материалы, стой кие к ионной бомбардировке. В конечном итоге, после оптимизации конструкции разрядной камеры и применения легкого плазмообразую щего газа (гелия) ресурс электродов источника доведен до 16000 сварок для ТВЭЛов с оболочками из сплава циркония и до 80000 сварок для ТВЭЛов из алюминиевых сплавов. При этом эффективно использова лась система предупредительного ремонта, состоящая в периодическом проведении в межремонтный цикл профилактических осмотров с уда лением из разрядной камеры продуктов эрозии или заменой электродов с изношенными поверхностями.

На рис. 5.2 в качестве примера показана поточная автоматизирован ная линия сварки, в составе которой используются электронные источ ники с плазменным эмиттером. Накопленный опыт эксплуатации элек тронных источников в условиях производства на поточных линиях сварки показал их следующие основные достоинства:

- Отсутствие нагретых до высоких температур деталей.

- Низкая критичность к величине и колебаниям вакуума.

- Высокая надёжность и ресурс работы, в том числе в условиях ин тенсивного испарения из сварочной ванны.

- Оперативность и простота обслуживания. Замена катода не требует участия высококвалифицированных специалистов, использования спе циальной оснастки и производится в течение нескольких минут.

Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом Рис. 5.2. Автоматическая линия электронно-лучевой сварки ТВЭЛов атомных станций, оснащенная электронными источниками с плаз менным эмиттером Применение электронных источников с плазменным эмиттером яви лось одним из важных факторов, обеспечивающих стабильность техно логического цикла и надежную работу высокопроизводительных по точных линий в массовом и крупносерийном производстве.

5.2. Электронно-лучевая наплавка износостойких материалов Способность сварочных источников с плазменным катодом работать без применения специальных мер защиты в широком диапазоне давле ний, в условиях интенсивных газовых выбросов из зоны расплава, а также их высокий ресурс позволили эффективно использовать эти ис точники для создания различных покрытий путем наплавки порошко вых материалов [11 – 13]. Процесс наплавки, как правило, сопровожда ется существенным ухудшением вакуумных условий в результате большого газоотделения из зоны расплава, интенсивным распылением порошкового материала и иными процессами, защита термокатода от которых затруднена даже при использовании специальных мер, таких, 190 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ например, как дифференциальная откачка и др. Использование в этом технологическом процессе плазменных источников электронов вместо термокатодных пушек позволяет упростить электронно-лучевое и ваку умное оборудование, увеличить ресурс и время наработки на отказ ис точника электронов и, в итоге, значительно повысить экономическую эффективность работ по созданию износостойких покрытий.

Технология электронно-лучевой наплавки (ЭЛН-технология) осно вана на явлении «вмораживания» металлического порошка в жидкоме таллическую ванну расплава, создаваемую электронным пучком с ли нейной разверткой. Наплавляемая деталь перемещается внутри вакуум ной камеры относительно неподвижного электронного источника и по рошкового дозатора. При каждом последующем проходе «вморажива ется» новая порция порошка и расплавляется предыдущая. Порошок, подаваемый в жидкометаллическую ванну расплава, ускоряет процесс его кристаллизации, способствуя при этом формированию мелкозерни стой структуры и уменьшению остаточных напряжений в наплавляемом покрытии. Необходимая толщина наплавленного слоя в пределах 0,5 – 10 мм достигается путем варьирования скорости подачи наплавляемого материала или увеличения числа проходов. Для электронно-лучевой наплавки в вакууме пригодны порошки, имеющие дисперсность 50 – 350 мкм. Порошки дисперсностью менее 50 мкм обладают недостаточ ной сыпучестью в вакууме, и поэтому трудно обеспечить их подачу не посредственно в ванну расплава. Для расплавления порошков крупнее 350 мкм требуется больший энерговклад, что приводит к дополнитель ному проплавлению основы и увеличению остаточных напряжений.

Блок-схема одной из установки для наплавки износостойких покры тий показана на рис. 5.3, а ее внешний вид – на рис. 5.4. Установка со стоит из вакуумной камеры 1, механического манипулятора 2 с элек троприводом 3, устройства 4 для дозированной подачи материала в зону расплава, электронного источника 5 и системы его электропитания – энергокомплекса, в состав которого входят: блок питания разряда 6, вы соковольтный источник 7, источник питания 8 фокусирующей катушки и отклоняющей системы.

Наибольший опыт эксплуатации аппаратуры накоплен при создании покрытий, наплавленных промышленными порошками сплавов на ос нове никеля (марок ПГ-10Н-01, ПГ-12Н-01) и железа (марок ПГ-УС-25, Р6М5, Г13), а также композиционными порошками, содержащими мел кодисперсный карбид титана в связке из вышеуказанных сплавов [75, Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом Рис. 5.3. Блок-схема установки для электронно-лучевой наплавки износостойких покрытий: 1 – вакуумная камера;

2 – манипулятор;

3 – электропривод;

4 – дозатор порош ковых материалов;

5 – плазменный источник электронов;

6 – блок питания разряда;

7 – высоковольтный источник ускоряющего напряжения;

8 – источник питания фокуси рующей и отклоняющей системы Рис. 5.4. Фотография экспериментальной установки для электронно-лучевой наплавки 192 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ 76]. Композиционные порошки для ЭЛН получали спеканием в вакууме механических смесей карбида титана различной дисперсности: TiCк (40 мкм) и TiCм (2 – 3 мкм) с порошками сплавов, дроблением спеков и рассевом на фракции. Исследование наплавленных покрытий включало изучение микроструктуры (пористость, объемную долю, дисперсность и однородность распределения карбидной фазы) и ее связь с абразивной износостойкостью (испытания по ГОСТ 23.208-79). Более подробно ре зультаты этих исследований описаны в [11, 12].

Параметрами, характеризующими процесс наплавки, являются уско ряющее напряжение, ток электронного пучка, расстояние фокусирую щей системы до поверхности обрабатываемой детали, диаметр и длина развертки пучка, скорость перемещения детали.

Влияние режимов наплавки на свойства наплавляемого материала по казано на примере композита: 35%TiC+Р6М5, который является типич ным представителем карбидосталей [145] со связкой из быстрорежущей стали. Наплавка производилась за 4 – 5 проходов на пластину из малоуг леродистой стали размером 100 25 3 мм. Толщина наплавленного по крытия при этом составила 2 – 3 мм. Определено влияние плотности мощности электронного луча (при неизменных остальных технологиче ских параметрах) на такие характеристики наплавленных покрытий, как твердость, пористость, глубина проплавления подложки, количество кар бидной упрочняющей фазы в наплавленном покрытии, микротвердость металлической связки и ширина диффузионной зоны в подложке, опре деляемая по величине перлитной прослойки, возникающей в результате твердофазной диффузии углерода из покрытия в подложку в процессе наплавки. Результаты исследований представлены на рис. 5.5 [12].

Зависимости твердости наплавленного покрытия и микротвердости связки от плотности мощности (рис. 5.5, а) имеют вид кривых с макси мумами, приходящимися на 4·103 Вт/см2. Уменьшение твердости при меньшей плотности мощности обусловлено высокой пористостью по крытия (рис. 5.5, б), возникающей вследствие неполного расплавления металлической связки в частицах композиционного порошка. При большей плотности мощности происходит увеличение глубины про плавления (рис. 5.5, в), в результате чего уменьшается объемная доля карбида титана в наплавленном покрытии (рис. 5.5, г) и изменяется ис ходный химический состав металлической связки за счет ее разбавле ния материалом подложки, что приводит к уменьшению твердости по крытия.

Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом 70 а б Твердость, HRC Пористость, % 60 50 40 30 20 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5, Плотность мощности103, Вт/см2 Плотность мощности103, Вт/см 1, Объемная доля TiC, % проплавления, мм в г 1,2 Глубина 0, 0, 0, 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5, Плотность мощности103, Вт/см2 Плотность мощности103, Вт/см Ширина диффузионной Микротвердость 1200 д е связки, кг/мм зоны, мкм 800 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5, Плотность мощности103, Вт/см2 Плотность мощности103, Вт/см Рис. 5.5. Зависимости свойств покрытий 35% вес.TiCк+Р6М от плотности мощности электронного пучка Увеличение энерговклада в процессе наплавки ведет также к линей ному росту ширины диффузионной зоны в подложке (рис. 5.5, е). Поло гий вид максимума твердости позволяет выбрать оптимальное сочета ние пористости, глубины проплавления основы и микротвердости связ ки при сохранении практически неизменной макротвердости покрытия.

Среди исследованных композиционных покрытий с одинаковым со держанием карбидной упрочняющей фазы абразивная износостойкость 194 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ зависит от химического состава металлической связки. Наибольшую износостойкость имеет композит со связкой из высокохромистого чугу на (Ки = 9,4). Далее в порядке убывания абразивной износостойкости следуют: композит со связкой из быстрорежущей стали (Ки = 4,0 – 5,5), композит со связкой из аустенитной марганцовистой стали (Ки = 4,2). У покрытий, наплавленных порошками металлических сплавов, износо стойкость убывает в ряду: ПГ-УС25, ПГ-10Н-01, Р6М5, ПГ-12Н-01, Г13.

Характерно, что в противоположность тому, что обычно наблюдается для сталей, для исследованных покрытий нет монотонной зависимости абразивной износостойкости от твердости.

Приведенные результаты по абразивной износостойкости были про анализированы с привлечением результатов микроструктурных иссле дований (рис. 5.6).

а б в Рис. 5.6. Микроструктура наплавленных покрытий:

а – ПГ-10Н-01, 500;

б – ПГ-УС-25, 500;

в – 35%вес.TiC+Р6М5, Типичная микроструктура самофлюсующихся сплавов на никеле вой основе ПГ-10Н-01 и ПГ-12Н-01 показана на примере покрытия ПГ-10Н-01 (рис. 5.6, а). Она состоит из дендритов -твердого раствора на основе никеля, эвтектики, состоящей из боридов никеля и того же твердого раствора, сложной эвтектики на основе тугоплавких боридов и карбидов хрома в виде отдельных или сросшихся попарно продолгова тых гексагонов иногда с внутренней полостью.

Сплав ПГ-УС-25 представляет собой заэвтектический высокохроми стый чугун. В микроструктуре покрытия (рис. 5.6, б) в значительном количестве присутствует карбид (Сr Fe)7C3 в виде шестигранных призм.

Вид микроструктуры нетравленных шлифов композиционных по крытий с одинаковой объемной долей карбида титана и отличающихся Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом только химическим составом связки практически один и тот же (рис. 5.6, в). Частицы карбида титана равномерно распределены по объ ему наплавки. Объемная доля карбида в наплавке, определенная мето дом количественной металлографии, практически совпадает с его со держанием в шихте. На основе этого можно утверждать, что в процессе электронно-лучевой наплавки не происходит высокотемпературного разложения карбида титана (что имеет место при жестких режимах плазменного и детонационного напыления) или его растворения в рас плаве связки, как это наблюдается при дуговой и электрошлаковой на плавке. Шихтовой карбид титана практически в неизменном количестве и гранулометрическом составе фиксируется в объеме наплавки. Порис тость наплавленных покрытий не превышает 0,55%, что обеспечивает более высокие физико-механические свойства ЭЛН-покрытий в сравне нии с плазменными покрытиями.

Таким образом, все исследованные покрытия (кроме Р6М5 и Г13) имеют характерную структуру композиционного материала: твердые включения тугоплавких соединений в пластичной металлической мат рице. Механизм их абразивного износа заключается в опережающем изнашивании прослоек металлической матрицы. При этом твердые включения уже не могут удерживаться металлической матрицей, выры ваются и уносятся потоком абразивных частиц. Наибольшее защитное действие от абразивного износа оказывают включения карбида титана с твердостью, втрое превышающей твердость абразивных частиц. Покры тия, наплавленные порошками ПГ-10Н-01, ПГ-12Н-01 и ПГ-УС25, тоже являются естественными композитами с твердыми включениями карби дов, боридов, силицидов. Однако твердость этих соединений значи тельно уступает твердости карбида титана, и, как результат, значитель но ниже абразивная износостойкость покрытий по сравнению с компо зиционными покрытиями на основе карбида титана.

Одно из основных применений электронно-лучевой наплавки – это защита поверхностей, подвергающихся различным видам абразивного и эрозионного износа. Так как технология электронно-лучевой наплавки удобна для нанесения «толстых» покрытий, то она применяется для восстановления деталей с толщиной изношенного слоя до 10 мм: дета лей машин и инструмента широкой номенклатуры: коленчатые валы дизельных и карбюраторных двигателей, насосов, компрессоров и т.д.;

крестовины карданных передач, детали запорно-регулирующей трубо проводной арматуры (седла, клапаны, штоки);

защитные рубашки валов 196 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ насосов;

защитные износостойкие и жаростойкие покрытия на детали, работающие в высокотемпературном газовом потоке с абразивными частицами;

подшипники скольжения, опоры;

дереворежущий и метал лорежущий инструмент.

В металлургии электронно-лучевая наплавка применяется для нанесе ния жаростойких и одновременно износостойких покрытий на фурмы, используемые в доменном производстве. В результате наплавки на мед ной детали формируется покрытие из никелевого сплава толщиной 1 – 2 мм. Ресурс работы наплавленной фурмы возрастает более чем в 7 раз и становится больше времени между капитальными ремонтами домны.

В электротехнической промышленности прошли успешные испыта ния вакуумные дугогасительные камеры с контактами, изготовленными методом электронно-лучевой наплавки. Контактный материал системы Cu – Cr наплавляется на медную заготовку, из которой затем изготавли вается электрод. В процессе наплавки происходит дегазация наплав ляемого материала, формируется мелкозернистая структура за счет диспергации хрома, что обеспечивает более высокие качественные ха рактеристики электродного материала по сравнению с материалом, из готавливаемым методами порошковой металлургии.

Разработанные порошковые составы карбидосталей прошли успеш ные испытания в качестве покрытий, наплавленных на зубья ковшей экскаваторов японской фирмы, производящей землеройную технику.

Ресурс работы наплавленных зубьев увеличился в несколько раз.

5.3. Использование низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков для поверхностной обработки материалов Обработка материалов низкоэнергетичными сильноточными элек тронными пучками весьма привлекательна как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, поскольку, во-первых, позволяет за счет импульсного плавления растворять частицы вторых фаз и за счет сверх быстрой закалки из жидкого состояния формировать в тонких поверх ностных слоях неравновесные структурно-фазовые состояния с плав ным переходом к матрице, во-вторых;

формировать высококонцентри рованные поверхностные сплавы при импульсном плавлении систем пленка – подложка;

в-третьих, обеспечить за счет указанных выше фак Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом торов улучшение ряда поверхностно-чувствительных характеристик материала [14 – 16].

Особенности эмиссии электронов из нестационарных плазменных образований описаны в разд. 2.5. Электронная пушка, генерирующая низкоэнергетичный сильноточный электронный пучок, основана на со четании взрывоэмиссионного катода [17, 18] с системой нейтрализации пространственного заряда электронного пучка на основе плазменного анода (см. разд. 4.4). Как уже отмечалось в разд. 4.4, диапазон парамет ров электронного пучка следующий: средняя энергия электронов – 12 – 15 кэВ, ток пучка – до 30 кА, длительность импульса – 2 – 4 мкс, часто та следования импульсов – 0,1 – 0,2 Гц, диаметр пучка – до 11 см, плот ность энергии – до 15 Дж/см2, неоднородность плотности энергии по сечению пучка – 15 – 20%. Фотография электронно-лучевой установки такого типа представлена на рис. 5.7. Основными факторами, опреде ляющими структурно-фазовое состояние и свойства материала при об лучении, являются нестационарные поля температур и термомеханиче ских напряжений, возникающие в результате передачи энергии пучка мишени. Поле температуры локализовано в зоне теплового влияния, 198 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ Рис. 5.7. Импульсная электронно-лучевая установка: 1 – элек тронная пушка;

2 – вакуумная камера;

3 – генератор высоко вольтных импульсов;

4 – турбомолекулярный насос толщина которой при реализованных параметрах электронного пучка не превышает нескольких десятков микрон. В свою очередь, поле напря жений состоит из двух компонентов: упругой или упруго-пластической волны напряжений, распространяющейся от поверхности в глубь ми шени, и квазистатических напряжений, которые в случае массивной мишени сосредоточены в зоне теплового влияния. Поскольку измерить поля температур и напряжений при облучении материалов достаточно сложно, эти величины обычно определяют в результате решения урав нения теплопроводности [19, 20] и уравнений термоупругости в пред положении, что в материале при нагреве отсутствуют фазовые превра щения [21]. На рис. 5.8 приведены зависимости температуры поверхно сти мишени из железа для режима начального плавления (4 Дж/см2) и заметного испарения (12 Дж/см2) соответственно. Видно, что скорости нагрева и охлаждения достигают значений ~1010 и 109 К/c соответст венно. Амплитуда волны напряжений в предплавильных режимах облу чения не превышает 1 МПа. Эти напряжения являются сжимающими в плоскости поверхности, а их величина существенно превышает предел текучести железа, что подтверждается экспериментально [22]. После полного остывания в поверхностных слоях формируются небольшие (40 – 80 МПа) остаточные растягивающие напряжения.

Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом Ts, К 0,01 0,1 1 t/ Рис. 5.8. Зависимости температуры от времени для мишени из железа, облученной импульсным электронным пучком, Дж/см2: кр. 1 – 4;

кр. 2 – 12;

= 2,5 мкс Многократное (N = 20 – 50) облучение поверхности металлических электродов НСЭП в режимах поверхностного плавления и испарения позволяет существенно увеличить электрическую прочность вакуумной изоляции. Улучшение свойств связывалось с очисткой приповерхност ного слоя от примесей и сглаживанием поверхности за счет плавления [22, 23]. С помощью оже-электронной спектроскопии (ОЭС) установле но, что сглаживание поверхности сопровождается очисткой приповерх ностного слоя (~50 нм) от примесей O, C и N. В результате высокоско ростной закалки из жидкого состояния в приповерхностном слое тол щиной ~ 0,5 мкм формируется однофазная (-фаза) микроструктура со средним размером зерна 0,2 – 0,6 мкм, что почти на 2 порядка меньше, чем в исходном состоянии. Формирование однофазной гомогенной субмикронной структуры с низкой плотностью примесей на границах зерен обуславливает возможность существенного роста электрической прочности вакуумной изоляции. На рис. 5.9 представлены результаты испытаний высоковольтных вакуумных промежутков с электродами диаметром 8 см (сталь 304L, лист) в исходном состоянии и после мно гократного импульсного плавления [24]. Видно, что после облучения 200 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ 316 rod First breakdown electric field, kV/cm untreated e-beam treated 2 4 6 Test number Рис. 5.9. Электрическая прочность (первый пробой) вакуум ных промежутков с электродами из нержавеющей стали 316L (круговой прокат, диаметр электродов 8 см) в исходном со стоянии и после облучения (10 Дж/см2, 2,5 мкс, N = 30) электродов электрическая прочность возросла в среднем в 1,8 раза, что качественно согласуется со структурными исследованиями.

Данный метод повышения электрической прочности высоковольт ных промежутков использован для увеличения длительности импульсов СВЧ-излучения мощной релятивистской ЛОВ, обработка поверхности электродинамической системы которой импульсным электронным пуч ком позволила увеличить длительность импульса СВЧ-излучения мощ ностью 3 ГВт с 6 до 30 нс [25].

Импульсное плавление титановых сплавов, которые используются для изготовления лопаток турбин авиационных двигателей, позволяет очистить приповерхностный слой от примесей кислорода и углерода, добиться более однородного распределения элементов сплава в этом слое и снизить шероховатость поверхности до ~ 0,1 мкм [14, 26]. Одна ко при этом несколько изменяется фазовый состав и формируются не большие растягивающие остаточные напряжения, а на самой поверхно сти возникают микрократеры. В оптимальных режимах облучения уда ется подавить кратерообразование, а с помощью последующего отжига восстановить исходный фазовый состав и существенно повысить экс Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом плуатационные свойства материала, а именно: предел выносливости более чем на 20%, циклическую долговечность – более чем в 10 раз, со противление пылевой эрозии при небольших нагрузках – более чем в 2 раза, кратковременную прочность – до 8% при существенном улуч шении пластичности. При этом микротвердость поверхности и жаро стойкость сохраняются на исходном уровне.

Для предварительно закаленной быстрорежущей стали, подвергнутой воздействию импульсного электронного пучка, износ режущей кромки после облучения снизился в ~ 1,7 раза по сравнению с необлученными сверлами и в ~ 1,3 раза по сравнению со сверлами с покрытием нитрида титана. Повышение износостойкости связано со следующими измене ниями микроструктуры в приповерхностном слое: закреплением сравни тельно крупных исходных карбидных частиц в матрице за счет их час тичного жидкофазного растворения, образованием новых дисперсных карбидных частиц M3C, повышенным содержанием метастабильной -фазы и возможным его превращением в мартенсит в процессе резания, формированием остаточных сжимающих напряжений в -фазе.

В работах [14, 27] показано, что облучение режущего инструмента из твердых сплавов WC – Co и WC – TiC – Co в режимах поверхностно го плавления импульсным электронным пучком позволяет повысить его износостойкость при высоких скоростях резания в ~3 раза. Установле но, что данный эффект обусловлен тем, что в результате импульсного плавления и высокоскоростной кристаллизации в приповерхностном слое происходит фрагментация кобальтовой связки и выделение в ней наноразмерных частиц новых карбидных фаз. Испытания на износ по казали, что поверхностное упрочнение сопровождается уменьшением коэффициента трения примерно в 2 раза и значительным повышением износостойкости по сравнению с исходным состоянием. В работе [28] изучали влияние воздействия импульсного электронного пучка на мик роструктуру и износостойкость покрытий из нитрида титана, осажден ных на режущие пластины из твердого сплава WC – TiC – TaC – Co.

Эксперименты показали, что после облучения из-за высокого уровня растягивающих напряжений, формируемых на стадии охлаждения, в по крытии возникают микротрещины. Несмотря на это, оно сохраняет хо рошее сцепление с подложкой. Стехиометрия и фазовый состав покры тия, за исключением самой поверхности, не изменяются. При этом про исходит снижение до нуля сжимающих остаточных напряжений и замет ное снижение концентрации вакансий, что свидетельствует об импульс 202 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ ном отжиге дефектов. Эти субструктурные изменения позволяют повы сить износостойкость инструмента при резании стали примерно в 2 раза.

5.4. Получение углеродных покрытий в плазме, генерируемой ленточным электронным пучком в форвакуумной области давлений Как было показано в разд. 4.6, электронный пучок ленточной конфи гурации, формируемый плазменным источником электронов в форваку умной области давлений (1 – 10 Па), может быть эффективно использо ван для генерации тонкого протяженного плазменного образования, из вестного как «плазменный лист» [29 – 31]. Важная особенность такой плазмы заключается в однородности ее параметров на большой площа ди при сравнительно малой толщине. Это делает «плазменный лист»

исключительно привлекательным для инициирования плазмо-хими ческих реакций, как синтеза, так и диссоциации веществ в газовой фазе с последующим образованием твердых упрочняющих или защитных покрытий на плоских протяженных поверхностях. Особенность плазмо химического метода осаждения покрытий связана, прежде всего, с при сутствием в реакторной области заряженных частиц, способных ре шающим образом изменить характер процесса и скорость его протека ния. Отмеченная особенность обусловливает актуальность изучения влияния параметров плазмы как на процесс осаждения покрытий, так и на их свойства.

Схема эксперимента, приведенная на рис. 5.10, иллюстрирует про цесс осаждения покрытий. Плазменный источник электронов 1, специ ально созданный для работы в форвакуумной области давлений, генери рует электронный пучок 2 ленточной конфигурации с энергией 2 – 3 кэВ и током 0,2 – 0,5 А. Размер эмиссионной щели источника составлял 250 10 мм и определял начальное поперечное сечение пучка, которое слегка возрастало по мере удаления от источника. При взаимодействии ускоренного электронного пучка с углеводородным газом, в качестве ко торого в наших экспериментах использовался пропан с давлением в ре акционной камере около 9 Па, создавалась плазма 3 с концентрацией по рядка 1010 см–3 и температурой электронов в несколько электронвольт.

Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом 1 4 3 Рис. 5.10. Схема установки для получения пленок:


1 – плазменный источник электронов;

2 – ленточ ный электронный пучок;

3 – плазма;

4 – катушки соленоида;

5 – коллектор Уменьшение расходимости пучка, а также удержание плазмы в актив ной области обеспечивалось продольным магнитным полем в несколько миллитесл, создаваемым катушками 4. Электронный пучок, прошедший реакторную область и частично растративший свою энергию, собирался коллектором 5. Для измерения параметров плазмы использовались оди ночные ленгмюровский и эмиссионный зонды. Зонды имели возмож ность перемещения в направлении, перпендикулярном «плазменному листу». Продукты плазмо-химических реакций осаждались на подлож ки 6, формируя на них твердые покрытия. В качестве подложек исполь зовались стеклянные пластинки, располагаемые в держателях на раз личных расстояниях x от плоскости симметрии пучка. Толщины покры тий измерялись микроинтерферометром МИИ-4.

На рис. 5.11 приведена скорость V осаждения покрытий как функция расстояния x для различных токов электронного пучка. Немонотонный характер наблюдаемых зависимостей свидетельствует о наличии, как минимум, двух факторов, оказывающих прямо противоположное влия ние на скорость роста пленок. Такими факторами могут быть поток ак тивных радикалов [32] и травление осаждающегося покрытия. Принято различать два типа травления: химическое и физическое, т.е. ионное распыление. Эксперименты по травлению пленок, проведенные нами 204 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ V, нм/ч х, cм 1 2 3 4 5 Рис. 5.11. Скорость осаждения покрытий для различных рас стояний x от срединной плоскости пучка для токов пучка, мА:

кр. 1 – 100;

кр. 2 – 200;

кр. 3 – 300;

кр. 4 – как в углеводородном газе, так и в химически нейтральной плазме арго на, не позволяют заметить существенных различий скорости травления при переходе от одного газа к другому. Этот факт свидетельствует в пользу ионного распыления как наиболее вероятного механизма трав ления пленок. Заметим, что для ионного распыления требуется, чтобы ионы имели энергию, превышающую пороговую (15 – 25 эВ [32]). По скольку энергия ионов, попадающих на подложку, определяется разно стью потенциалов между плазмой и подложкой, то для определения этой разности были проведены отдельно измерения потенциала плазмы и потенциала подложки на различных расстояниях x от срединной плоскости пучка. Для измерения потенциала плазмы применялась зон довая методика, за потенциал подложки принимался измеряемый высо коомным вольтметром плавающий потенциал металлического коллек тора, устанавливаемого вместо подложки. Как и следовало ожидать, по тенциал подложки оказался отрицательным по отношению к заземлен ным стенкам вакуумной камеры, а потенциал плазмы – положительным.

Кроме того, потенциал подложки возрастал с увеличением x, а потенци ал плазмы уменьшался. Указанные зависимости позволили определить искомую разность потенциалов плазма – подложка (рис. 5.12). Не смотря на сравнительно малые величины этой разности потенциалов, а следовательно, и энергии ионов, которая оказалась ниже пороговой, следует тем не менее иметь в виду, что процесс ионного распыления Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом может быть достаточно эффективным, поскольку ионы бомбардируют еще не сформировавшееся покрытие, а монослой адсорбированных мо лекул, энергии связи которых с подложкой могут быть существенно меньше, чем для объемного материала.

, В 14 х, cм 0 1 2 Рис. 5.12. Разность потенциалов плазма – подложка при раз личных токах пучка для различных расстояний x от средин ной плоскости пучка для токов пучка, мА: кр. 1 – 100;

кр. 2 – 200;

кр. 3 – 300;

кр. 4 – Для расчета скорости осаждения пленки будем полагать, что она оп ределяется соотношением плотности потока радикалов и скорости травления. Для плотности потока радикалов jr можем записать jr = nr ur, (5.1) где nr – концентрация радикалов;

ur – тепловая скорость радикалов.

При расчете зависимости nr от x учитывалось, что радикалы рожда ются при взаимодействии электронного пучка с газовыми молекулами.

Режим движения радикалов диффузионный, рекомбинация возможна.

Это позволило записать одномерное уравнение непрерывности d 2 nr jb n0 re nr 2, Dr = (5.2) e dx 206 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ где Dr – коэффициент диффузии радикалов;

jb – плотность тока элек тронного пучка, измеренная перемещаемым коллектором;

n0 – концен трация газовых молекул;

r – сечение образования радикалов [6];

– ко эффициент рекомбинации радикалов.

Оценку скорости распыления произведем на основе выражения uтр = ni ui k, (5.3) где ni – концентрация ионов;

ui – средняя тепловая скорость ионов;

k – коэффициент распыления ионами молекул, адсорбировавшихся на под ложке. Зависимость коэффициента распыления от энергии ионов учтем согласно [32] k = k0 e, (5.4) где k0, – эмпирические коэффициенты, определяемые видом распы ляемого вещества и сортом бомбардирующих ионов. Функция ni(x) бы ла найдена экспериментально. Расчетные зависимости скорости в зна чениях плотности потока осаждающихся радикалов без учета коэффи циента прилипания удовлетворительно согласуются с экспериментом.

Без принятия специальных мер осаждающиеся пленки были полимеро подобными с твердостью 1 – 1,5 ГПa.

Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом Литература к главе 1. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазмен ные процессы в технологических электронных пушках. – М.: Энерго атомиздат, 1989. – 256 с.

2. Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером: Сб. статей / Под ред. проф. П.Н. Щанина. – Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993. – 148 с.

3. Igor Osipov, Nikolai Rempe. A plasma-cathode electron source designed for industrial use // Review of Scientific Instruments. – 2000. – V. 71. – No. 4. – P. 1638 – 1641.

4. Белюк С.И., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Промышленное применение элек тронных источников с плазменным эмиттером // Изв. вузов. Физика. – 2001. – № 9. – С. 77 – 84.

5. Белюк С.И., Груздев В.А., Крейндель Ю.Е., Ремпе Н.Г. Технологические возможности сварочной пушки с плазменным эмиттером на основе от ражательного разряда // Автоматическая сварка. – 1979. – № 3. – С. 61.

6. Белюк С.И., Каплан А.А., Крейндель Ю.Е., Ремпе Н.Г. Ресурс эмиссион ной системы сварочной электронной пушки с плазменным катодом // Автоматическая сварка. – 1980. – № 6. – С. 74 – 75.

7. Белюк С.И., Демидов Б.М., Каплан А.А. и др. Мощная сварочная элек тронная пушка с плазменным эмиттером // Автоматическая сварка. – 1982. – № 1. – С. 74 – 76.

8. Kislitsky A.A., Onuchin N.V., Rempe N.G. Stability of parameters of electron guns with plasma cathodes under conditions of automated in-line welding production // International Conference «Welded Structures»: Abstracts of poster papers. – Kyiv, Ukraine, October 2000. – P. 118.

9. Волков Л.А., Пчелкин Р.Д., Ремпе Н.Г. О стабильности параметров элек тронных источников с плазменным эмиттером в режиме многократных проплавлений металлов // Сварочное производство. – 2001. – № 1. – С. 23 – 28.

10. Васильков В.И., Кислицкий А.А., Онучин Н.В. и др. Опыт применения пу шек с плазменным катодом для электронно-лучевой сварки тепловыде ляющих элементов атомных станций // Автоматическая сварка. – 2002.

– № 6. – С. 38 – 40.

11. Панин В.Е., Дураков В.Г., Прибытков Г.А. и др. Электронно-лучевая на плавка композиционных покрытий на основе карбида титана // Физика и химия обработки материалов. – 1997. – № 2. – С. 54 – 58.

12. Панин В.Е., Дураков В.Г., Прибытков Г.А. и др. Электронно-лучевая на плавка порошковых карбидосталей // Физика и химия обработки мате риалов. – 1998. – № 6. – С. 53 – 59.

208 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ 13. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г. и др. Электронно-лучевая наплав ка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий // Свароч ное производство. – 2000. – № 2. – С. 34 – 38.

14. Proskurovsky, D.I., Rotshtein, V.P., Ozur G.E., et al. Pulsed electron-beam technology for surface modification of metall // Journal of Vacuum Science & Technology. – 1998. – V. A16(4). – P. 2480 – 2488.

15. Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E. Use of low-enegy, hihj current electron beams for surface treatment of materials // Surface and Coating Technology. – 1997. – V. 96. – P. 117 – 122.

16. Proskurovsky D., Rotshtein V., Ozur G., et al. Physical foundation for surface treatment of materials with low energy, high current electron beams // Sur face and Coating Technology. – 2000. – V. 125 (1 – 3). – P. 49 – 56.

17. Bardenshtein A.L., Bushnev L.S., Dudarev E.F., et al. Thermal stresses and twinning in thin film coper samples irradiated with high current electron beam // Proc. 5th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows / Mesyats G.A., Bugaev S.P. & Ryabchikov A.I.

(Eds). – Tomsk, Russia, 2000. – P. 43 – 47.

18. Дударев Е.Ф., Почивалова Г.П., Проскуровский Д.И., Марков А.Б. Мик ропластическая деформация поликристаллов железа и молибдена, облу ченных низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком // Изв.

вузов. Физика. – 1996. – № 3. – С. 126 – 132.


19. Иванов Ю.Ф., Итин В.И., Лыков С.В. и др. Структурный анализ зоны термического влияния в стали 45, обработанной низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком // Физика металлов и металловеде ние. – 1993. – Т. 75. – С. 103 – 112.

20. Markov A.B. & Rotshtein V.P. Calculation and experimental determination of dimensious of hardening and temperature zones of quenched U7A steel irra diated with a pulsed electron beam // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 1997. – V. B132. – P. 79 – 86.

21. Markov A.B., Ivanov Yu.F., Proskurovsky D.I., et al. Mechanisms for harden ing of carbon steel with nanosecond high energy electron beam // Materials and Manufacturing Processes. – 1999. – V. 14. – P. 205 – 216.

22. Batrakov A.V., Markov A.B., Ozur G.E., et al. The effect of pulsed electron beam treatment of electrodes on vacuum breakdowns // IEEE Transaction on Dielectric and Electrical Insulation. – 1995. – V. 2. – P. 237 – 242.

23. Rotshtein V.P., Ivanov Yu,F., Proskurovsky D.I., et al. Microstructure of near surface layers of austenic stainless steels irradiated with low energy high cur rent electron beam // Proc. 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows / Mesyats G.A., Korovin S.D., Ryabchikov A.I. (Eds). – Tomsk, Russia, 2002. – P. 205 – 210.

Глава 5. Некоторые применения источников электронов с плазмен ным катодом 24. Proskurovsky D.I. Surface treatment of electrodes by intence flows of charge particles as the method of improvement vacuum insulation // Proc. 20th Int.

Symp. on Discharges & Electrical Insulation in Vacuum. – Tours, France, 2002. – P. 147 – 153.

25. Батраков А.В., Карлик К.В., Кицанов С.А. и др. Увеличение длительно сти микроволнового импульса гигаваттной релятивистской ЛОВ путем обработки поверхности замедляющей системы низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком // Письма в ЖТФ. – 2001. – Т. 27. – С. 150 – 152.

26. Ночовная Н.А., Шулов В.А., Ротштейн В.П. и др. Обработка деталей из титановых сплавов низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком // Физика и химия обработки материалов. – 1998. – Вып. 1. – C.

27 – 33.

27. Ivanov Yu., Rotshtein V., Proskurovsky D., et al. Pulsed electron beam treat ment of WC-TiC-Co hard-alloy curring tools // Surface and Coating Tech nology. – 2000. – V. 125 (1 – 3). – P. 251 – 256.

28. Perry A., Matossian J., Bull S., et al. Rapid themal processing of TiN coating deposited by chemical and physical vapour deposition using a low energy, high current electron beam // Metallurgical and Materials Transaction. – 1999. – V. 30A. – P. 2931 – 2939.

29. Бурдовицин В.А., Окс Е.М., Федоров М.В. Параметры «плазменного лис та», генерируемого ленточным электронным пучком в форвакуумном диапазоне давлений // Изв. вузов. Физика. – 2004. – № 3. – С. 74 – 77.

30. Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Окс Е.М., Федоров М.В. Электрон ный источник с плазменным катодом // ПТЭ. – 2003. – № 2. – С. 1 – 3.

31. Burachevsky Yu., Burdovitsin V., Oks E., Fedorov M. Film Sintesis in a Beam-Plasma Discharge Driven by Electron Beam From the Fore-Pump Plasma Gun» // Proc. of 7th Int. Conf. on Electron Beam Technologies. – Varna, Bulgaria, 2003. – P. 160 – 166.

32. Плазменная технология в производстве СБИС / Под ред. Н. Айнспрука и Д. Брауна. – М.: Мир, 1987. – 469 с.

33. Андреев Ю.А., Климов А.И., Окс Е.М., Чагин А.А. Исследование генера ции ВЧ-излучения с использованием электронного пучка, формируемо го в ускорителе с плазменным катодом // Изв. вузов. Физика. – 1993. – № 1. – С. 128.

34. Goebel D.M., Shkvarunets A.G., Carmel Y., et. al. Realization of high effi ciency in a plasma-assisted microwave source with two-dimensional electron motion // Physics of Plasmas. – 2002. – V. 9. – No. 10. – P. 4114 – 4117.

35. Алексеев С.Б., Коваль Н.Н., Орловский В.М. и др. Импульсно-периоди ческий режим работы лазера на атомарных переходах ксенона при по 210 Е. М. Окс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ вышенном давлении // Квантовая электроника. – 2004. – Т. 34. – № 6. – С. 519 – 523.

36. Винтизенко Л.Г., Гушенец В.И., Коваль Н.Н. и др. Генерация в инерт ных газах при накачке электронным пучком ускорителя с плазменным катодом // ДАН СССР. – 1986. – Т. 288. – Вып. 3. – С. 609 – 612.

37. Абдуллин Э.Н., Вайсбурд Д.И., Крейндель Ю.Е. и др. Использование мощных импульсных пучков электронов для инициирования полимери зации полиэфиров // Письма в ЖТФ. – 1978. – Т. 4. – Вып. 8. – С. 213 – 215.

38. Крейндель Ю.Е., Месяц Г.А., Сахаров Е.С. и др. Применение импульс ных электронных пучков в радиационных процессах // Докл. третьего Всес. совещ. по применению ускорителей заряженных частиц в народ ном хозяйстве. – Л.: Изд-во НИИ электрофизической аппаратуры, 1979.

– Т. 2. – С. 294 – 300.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Источники электронов с плазменным катодом представляют собой генераторы ускоренных электронных пучков, основанные на отборе частиц с эмиссионной плазменной границы. Плазменные эмиттеры электронов, или плазменные катоды, обладают рядом принципиальных преимуществ по сравнению с традиционно широко используемыми термоэмиссионными твердотельными катодами. Это, прежде всего, бо лее высокая плотность эмиссионного тока, возможность импульсной эмиссии, способность к работе в области повышенных давлений газа вплоть до форвакуумного диапазона, некритичность к присутствию в остаточной газовой атмосфере агрессивных сред. В системах с плаз менным катодом значительно проще получать пучки большого попе речного сечения, электронные источники с плазменным катодом более надежны в экстремальных условиях генерации электронных пучков, а их параметрами можно легко и быстро управлять.

При создании источников электронов с плазменным катодом необ ходимо реализовать условия для эффективной генерацию плазмы вбли зи ее эмиссионной границы и одновременно обеспечить высокую элек трическую прочность ускоряющего промежутка на уровне напряжений в десятки и сотни киловольт. В связи с этим выбор соответствующей разрядной системы, способной одновременно обеспечить условия для достижения необходимой плотности плазмы, обуславливающей ток эмиссии электронов, их последующий отбор и ускорение до требуемых энергий, представляется важным условием успешного функционирова ния источников электронов такого типа. Очевидно, что преимущества плазменного эмиттера электронов перед термокатодом могут быть реа лизованы только в случае применения для генерации плазмы разрядных систем с «холодными» (ненакаливаемыми до термоэмиссионных тем ператур) электродами. Кроме того, разряды, применяемые в источниках электронов с плазменным катодом, должны обеспечить при минималь но возможном давлении генерацию плотной плазмы в локальной облас ти отбора электронов. Именно такие специфические требования обу 212 Заключение словили широкое использование в плазменных источниках электронов тлеющего разряда с полым катодом, разрядов в скрещенных электри ческом и магнитном полях типа Пеннинга или цилиндрического маг нетронного, а также дугового контрагированного разряда и вакуумной дуги.

Процессы отбора электронов из плазмы имеют ряд сходных черт с термоэлектронной эмиссией. В обоих случаях эмиссионный ток обу словлен тепловыми электронами, которые для выхода в ускоряющий промежуток должны преодолеть потенциальный барьер. Однако, если в твердотельном накаленном катоде величина потенциального барьера остается неизменной или слегка уменьшается под действием внешнего ускоряющего поля (эффект Шоттки), то в случае эмиссии электронов из плазмы возможна более широкая трансформация потенциального барь ера вплоть до его полного исчезновения. В случае плазменного катода установившаяся величина барьера для эмиттируемых электронов опре деляется не только суперпозицией полей приэлектродного слоя и уско ряющего промежутка, но и параметрами плазмы (концентрацией и тем пературой электронов, а также потенциалом плазмы относительно эмиссионного электрода). Возможность полного снятия потенциального барьера для эмиттированных плазмой электронов обуславливает высо кую плотность эмиссионного тока и обеспечивает условия для так на зываемого «эффекта переключения» электронного компонента разряд ного тока в ток эмиссии. При этом достигается максимальная эффек тивность извлечения электронов из плазмы (отношение эмиссионного тока к разрядному току), равная 1. В сущности роль плазмы состоит в «перераспределении» своего электронного компонента между током эмиссии и током электронов на остальные электроды разрядной систе мы. Поэтому плазма не остается инертной к процессу эмиссии электро нов и реагирует на это изменением своих параметров, главным образом возрастанием потенциала относительно эмиссионного электрода. Это накладывает ограничения на максимальный размер площади эмиссион ной плазменной границы, с которой возможна эмиссия и последующее ускорение электронов.

При создании источников электронов с плазменным катодом размер элементарного отверстия в эмиссионном электроде выбирают сравни мым с протяженностью слоя пространственного заряда, прилегающего к этому электроду. Это позволяет реализовать так называемую «слое вую» («сеточную») стабилизацию эмиссионных параметров плазмы, Заключение при которой возникает отрицательная обратная связь между флуктуа циями эмиссионных параметров плазмы и размерами области эффек тивной эмиссии электронов. Принудительное изменение протяженности приэлектродного слоя, например подачей отрицательного смещения на эмиссионный электрод, обеспечивает эффективное управление током эмиссии электронов из плазмы, которое может быть реализовано в ста тическом и динамическом режимах. Ток эмиссии электронов может быть изменен и варьированием плотности плазмы в области эмиссион ной границы, а также введением слабого поперечного магнитного поля, влияющего лишь на электронный компонент плазмы.

Принципиальным преимуществом плазменных источников электро нов является их способность генерировать пучки в области повышен ных давлений вплоть до форвакуумного диапазона. Функционирование таких устройств при столь высоких давлениях имеет ряд особенностей, заключающихся, прежде всего, в определяющем влиянии обратного ионного потока из ускоряющего промежутка и области транспортиров ки пучка на условия горения разряда и эмиссионные свойства плазмы.

При этом между током ионов и током эмиссии электронов существует положительная обратная связь, приводящая к существенному усилению локальной неоднородности в распределении плотности тока электрон ного пучка. Поэтому при создании источников электронов для работы в форвакуумной области давлений необходимо более тщательно подхо дить к решению проблем создания исходной плазменной эмиссионной поверхности с высокой однородностью. В этом случае необходимо так же обеспечение условий для поддержания высокой электрической прочности ускоряющего промежутка, включая предотвращение высо ковольтного пробоя в периферийных областях и по так называемым «длинным путям».

Существующее многообразие источников электронов с плазменным катодом может быть классифицировано либо по типу используемого разряда или их можно разделить по форме (конфигурации) генерируе мого электронного пучка и режиму работы – параметрам, которые во многом обуславливают функциональные возможности таких устройств.

Исходя из классификации источников по функциональным признакам, следует выделить аксиально–симметричные электронные пучки, вклю чающие в себя цилиндрические, полые или трубчатые пучки, а также электронные пучки большого поперечного сечения, в том числе и пучки ленточной конфигурации. Для получения той или иной конфигурации 214 Заключение электронного пучка могут быть использованы различные виды разрядов или даже их комбинация. При этом, в зависимости от требуемых пара метров электронного пучка, разрядные системы могут быть реализова ны как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Источники электронов с плазменным эмиттером создавались как од на из наиболее серьезных альтернатив устройств с термокатодами. Од нако и в настоящее время, как и во времена наибольшего энтузиазма и интереса к развитию плазменных эмиттеров электронов, потребность в электронных пучках в подавляющем большинстве случаев удовлетво ряется источниками с катодом на основе термоэлектронной эмиссии.

Необходимо признать, что плазменные катоды не оправдали возлагае мых на них надежд с точки зрения полной замены ими термоэмиссион ных систем. Следует однако отметить, что и никакие другие ненакаль ные методы эмиссии электронов (например, МДМ-катоды) не нашли широкого применения. Несмотря на ряд принципиальных недостатков термоэмиссионных катодов, их использование для генерации электрон ных пучков, по-видимому, не имеет реальной альтернативы. Тем не ме нее интерес к источникам электронов с плазменным катодом не ограни чивается только историческими аспектами развития эмиссионной элек троники, а продолжает оставаться достаточно высоким. Такая ситуация во многом обусловлена рядом замечательных свойств плазменных эмиттеров электронов.

Конечно, преимущества источников электронов с плазменным като дом по сравнению с термокатодными источниками будут проявляться только в специфических условиях генерации электронных пучков или при необходимости получения электронных пучков с уникальными и рекордными параметрами. Однако даже такая ситуация, оставляющая за плазменными катодами исключительно узкую область их применения, сохраняет им право на существование и дальнейшее развитие.

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... Г л а в а 1. Разряды низкого давления для плазменных источ ников электронов...................................................................... 1.1. Разряд с полым катодом............................................................. 1.2. Разряды в скрещенных электрическом и магнитном полях.......................................................................................... 1.3. Дуговые разряды....................................................................... 1.3.1. Вакуумный дуговой разряд............................................ 1.3.2. Дуговой контрагированный разряд низкого дав ления................................................................................ Литература к главе 1...................................................................... Г л а в а 2. Эмиссия электронов из плазмы........................................... 2.1. Общие свойства эмиссии электронов из плазмы................... 2.1.1. Отбор ионов из плазмы.................................................. 2.1.2. Процессы, связанные с отбором электронов из плазмы.............................................................................. 2.2. Управление током эмиссии электронов из плазмы................ 2.2.1. Стационарное управление током эмиссии элек тронов из плазмы............................................................ 2.2.2. Особенности импульсного управления эмиссией электронов из плазмы..................................................... 2.3. Эмиссионные свойства плазмы дугового контрагиро ванного разряда с расширенной анодной частью.................. 2.4. Особенности эмиссии электронов из плазмы в форва куумной области давлений...................................................... 2.5. Особенности эмиссии электронов из нестационарных плазменных образований......................................................... Литература к главе 2...................................................................... 216 Оглавление Г л а в а 3. Плазменные источники аксиально-симметричных электронных пучков.............................................................. 3.1. Источники цилиндрических электронных пучков на основе разряда с полым катодом............................................. 3.2. Источники стационарных сфокусированных электрон ных пучков................................................................................ 3.3. Источники трубчатых электронных пучков......................... Литература к главе 3.................................................................... Г л а в а 4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом......................................................... 4.1. Электронный источник с высокой плотностью энергии пучка в импульсе.................................................................... 4.2. Ускорители и источники электронов с плазменным эмиттером на основе дугового разряда низкого давле ния микросекундной длительности...................................... 4.3. Импульсные источники электронов субмикросекунд ной длительности................................................................... 4.4. Импульсные источники электронов низких энергий.......... 4.5. Электронный источник с плазменным катодом для ге нерации ленточного пучка в форвакуумном диапазоне давлений.................................................................................. 4.5.1. Конструкция источника электронов............................ 4.5.2. Характеристики электронного источника................... 4.5.3. Параметры «плазменного листа», генерируемого ленточным электронным пучком................................. Литература к главе 4.................................................................... Г л а в а 5. Некоторые применения источников электронов с плазменным катодом......................................................... 5.1. Электронно-лучевая сварка................................................... 5.2. Электронно-лучевая наплавка износостойких мате риалов...................................................................................... 5.3. Использование низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков для поверхностной обработки материалов............................................................................... Оглавление 5.4. Получение углеродных покрытий в плазме, генерируе мой ленточным электронным пучком в форвакуумной области давлений.................................................................... Литература к главе 5.................................................................... ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................... 218 Оглавление ДЛЯ ЗАМЕТОК Оглавление ДЛЯ ЗАМЕТОК 220 Оглавление ДЛЯ ЗАМЕТОК Оглавление Ефим Михайлович Окс ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ:

ФИЗИКА, ТЕХНИКА, ПРИМЕНЕНИЯ Редактор Н.И. Шидловская Верстка Д.В. Фортес К-ОКП ОК-005-93, код продукции Изд. лиц. ИД № 04000 от 12.02.2001. Подписано к печати 13.05.2005.

Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Таймс».

Усл. п. л. 12,56. Уч.-изд. л. 14,06. Тираж 500 экз. Заказ № 12.

ООО «Издательство научно-технической литературы»

634050, Томск, пр. Ленина, 34а, тел. (382-2) 53-33- Отпечатано в типографии ЗАО «М-Принт», г. Томск, ул. Пролетарская, 38/

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||
 





 
© 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.