Введение к работе
Актуальность темы. Повышение производительности установок, предназначенных для электронно-лучевой обработки больших поверхностей, требует создания источников пучков большого сечения, в частности пучков ленточной конфигурации. Среди подобных источников особый интерес представляют устройства, способные генерировать пучок в условиях предварительного вакуума или форвакуума, достигаемого использованием лишь механических средств откачки.
В проведенных ранее исследованиях была показана принципиальная возможность создания источника ленточного электронного пучка способного функционировать в форвакуумной области давлений (1 – 15 Па). Было установлено, что в этой области давлений однородность ленточного электронного пучка, формируемого плазменным источником электронов, определяется не только процессами генерации эмиссионной плазмы, но и влиянием обратного потока ионов, образованных в ускоряющем промежутке и области транспортировки электронного пучка. Между ионным потоком и плотностью эмиссионной плазмы существует положительная обратная связь, многократно усиливающая локальную неоднородность эмиссионного тока. На основе проведенных исследований был создан не имеющий аналогов простой и надежный электронный источник с плазменным катодом, который в форвакуумном диапазоне давлений позволяет получать электронный пучок ленточной конфигурации со стабильными параметрами. Формирование пучка осуществляется за счет эмиссии электронов из разряда с полым катодом в остаточной атмосфере вакуумной камеры без использования напуска газа и системы дифференциальной откачки. На базе разработанного источника реализован так называемый плазменно-пучковый разряд, а также показана возможность применения такого генератора плазмы в технологии осаждения покрытий.
Несмотря на то, что сам факт генерации ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений представляет собой «прорыв» в развитии плазменной эмиссионной электроники, достигнутые плотности тока пучка (10 мА/см2), оказались все же недостаточными для ряда принципиальных применений. Это делает задачу поиска путей увеличения плотности тока ленточного электронного пучка, генерируемого в форвакуумной области давлений, актуальной как в физическом аспекте, так и с точки зрения практического использования таких электронных пучков.
Цель работы состояла в проведении комплекса исследований, направленных на повышение плотности тока, генерируемого плазменным источником ленточного пучка электронов в форвакуумной области давлений. В задачу работы также входила модернизация на основе проведенных исследований существующего источника электронов для обеспечения в ленточном электронном пучке плотности тока не менее 0,1 А/см2, достаточной для поверхностной обработки и плавки ряда материалов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Установлено, что для источников ленточных электронных пучков на основе разряда с полым катодом, функционирующих в форвакуумной области давлений, повышение плотности тока пучка путем уменьшения ширины выходной щели катодной полости имеет ограничение, связанное с возникновением неустойчивости токопрохождения в разрядном промежутке. Данная неустойчивость оказывает влияние на однородность плазмы в области эмиссии электронов и, соответственно, нарушает равномерность распределения плотности тока пучка по его сечению.
2. Предложена и исследована разрядная система с составной катодной полостью, обеспечивающая в форвакуумном плазменном источнике резкое увеличение плотности тока ленточного пучка электронов при сохранении высокой степени его линейной однородности.
3. Показано, что для форвакуумных плазменных источников электронов плазма, образующаяся в области транспортировки электронного пучка, обеспечивает практически полную нейтрализацию зарядки изолированной мишени электронным пучком, открывая тем самым возможность непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов.
Научная и практическая ценность работы.
1. Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий в форвакуумной области давлений (1 – 15 Па) генерацию ленточного электронного пучка с током до 800 мА, энергией до 10 кэВ и плотностью эмиссионного тока до 0,2 А/см2.
2. Существенно расширен диапазон возможных технологических применений плазменных электронных источников, в частности, показана возможность использования разработанного устройства для электронно-лучевой плавки, сварки и размерной обработки высокотемпературных диэлектриков.
3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в других устройствах, имеющих аналогичные разрядные структуры и функционирующих в области повышенных давлений, а именно: в ионно-плазменных напылительных установках, генераторах низкотемпературной плазмы, источниках ионов.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием различных экспериментальных методик, сопоставлением экспериментальных результатов и численных оценок, а также практической реализацией научных положений и выводов при создании источников электронов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Для плазменных источников ленточных пучков электронов, функционирующих в форвакуумной области давлений, повышение плотности тока пучка путем уменьшения ширины выходной апертуры катодной полости имеет ограничение, связанное с возникновением неустойчивости токопрохождения в разрядном промежутке, обусловленной самопроизвольным локальным раскрытием ионных оболочек в апертуре полости и возникновением так называемых «струйных структур тока», приводящих к резкому нарушению однородности концентрации плазмы вблизи эмиссионной поверхности, а, следовательно, и к существенной неравномерности распределения плотности тока пучка по его сечению.
2. Разрядная система с составной катодной полостью, образованной из двух прямоугольных частей различной ширины, с выходной апертурой в широкой части обеспечивает в форвакуумном плазменном источнике ленточного пучка электронов подавление неустойчивости разрядного тока и, соответственно, увеличение плотности тока пучка при сохранении высокой степени его линейной однородности. Положительный эффект обусловлен взаимовлиянием двух областей катодной полости, в результате которого плазма из расширенной катодной полости проникает в сужение, а поток электронов из узкой части полости, в свою очередь, вызывает появление осевого максимума в поперечном распределении плазмы в области эмиссии электронов и формирования электронного пучка.
3. Плазменный источник электронов на основе разряда с неоднородным протяженным полым катодом обеспечивает при давлении газа 5 – 15 Па генерацию непрерывного электронного пучка ленточной конфигурации сечением 100,4 см2 с плотностью тока до 0,2 А/см2 и энергией до 10 кэВ. Образующаяся в области транспортировки электронного пучка плазма обеспечивает практически полную нейтрализацию зарядки изолированной мишени, обеспечивая тем самым возможность непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов.
Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на XIV и XV Международных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2006 г. и 2008 г.), на 34 Международной конференции по физике плазмы (ICOPS, 2007, New Mexico, USA), на 10 Международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007 г.), на III Международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ, 23-30 июня 2009 г.), на Международных научно-практических конференциях «Электронные средства и системы управления» (Томск, Россия, 2006г., 2007г.), на 13-ой и 14-ой Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых “Современная техника и технологии” (Томск, 2007 г., 2008 г.), на XI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (Томск, 2008 г.), на Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2006 г., 2007 г., 2008 г.).
Личный вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик эксперимента, проведении исследований и анализе их результатов. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводилось совместно с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации, на основании которых разработана конструкция источника электронов с ленточной конфигурацией пучка. Окончательная редакция защищаемых научных положений и выводов по работе осуществлялась совместно с научными руководителями при активном творческом участии соискателя.
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 19 работ, включая 5 статей в реферируемых журналах, 9 полных текстов докладов на Международных конференциях.
Структура диссертации. Диссертация содержит 108 страниц машинописного текста, 82 иллюстрации, список цитируемой литературы из 95 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
