Введение к работе
Актуальность темы. Обработка материалов низкоэнергетичными импульсными сильноточными электронными пучками, приводящая к нагреву или оплавлению лишь тонкого поверхностного слоя, обеспечивает существенную модификацию свойств материала на больших глубинах и как результат значительные эффекты в повышении микротвердости, коррозионной стойкости, а также снижении коэффициента трения. Для данной технологии модификации поверхностных свойств материалов используются, как правило, плазменные источники электронов с нестационарной или квазистационарной эмиссионной границей плазмы. При этом номенклатура изделий, обрабатываемых импульсными электронными пучками, была ограничена металлами, сплавами и другими проводящими материалами.
В последнее время существенное развитие получили так называемые форвакуумные плазменные источники электронов. Принципиальным отличием этих устройств является их способность к генерации пучков в ранее недоступной области давлений (5 - 20) Па, которая может достигаться с использованием лишь одной механической (форвакуумной) ступени откачки. Указанное преимущество имеет, несомненно, значение, однако одним из главных достоинств форвакуумных источников электронов является их способность непосредственной обработки непроводящих материалов. Как показали специально проведенные эксперименты, в форвакуумной области давлений при воздействии ускоренного электронного пучка на изолированную мишень установившийся плавающий потенциал этой мишени оказывается близким к нулевому потенциалу. Именно этот эффект и обуславливает возможность эффективной обработки диэлектриков электронным пучком с энергией, практически соответствующей величине ускоряющего напряжения. Применение форвакуумных плазменных электронных пушек для обработки непроводящих материалов было успешно продемонстрировано на примере сварки алюмооксидной керамики непрерывным сфокусированным электронным пучком.
В сущности, в форвакуумной области давлений электронный пучок оказывает воздействие на непроводящие материалы, практически такое же, как и на металлы. Открывающаяся при этом возможность импульсной электроннолучевой обработки непроводящих материалов, в первую очередь высокотемпературных керамик, представляется привлекательной. В связи с этим тематика диссертационной работы, направленная на исследование особенностей импульсной эмиссии электронов из плазмы при повышенных давлениях газа и создание на этот основе форвакуумного плазменного источника импульсного электронного пучка является актуальной.
Цель работы состояла в проведении комплекса исследований, направленных на выявление физических особенностей генерации импульсных пучков плазменными источниками электронов в форвакуумной области давлений. В задачу работы также входило создание на основе проведенных
исследований импульсного источника электронов с относительно большим поперечным сечением (5-10 см ) пучка и плотностью энергии в импульсе порядка 10 Дж/см , достаточной для поверхностной обработки проводящих и непроводящих материалов.
Научная новизна работы заключается в том, что для импульсного плазменного источника электронов, функционирующего в форвакуумной области давлений:
Выявлены особенности влияния ускоряющего напряжения на процессы инициирования плазмообразующего разряда.
Измерена величина обратного тока ионов и определена степень его влияния на предельные параметры импульсного электронного пучка: ток, плотность тока, длительность импульса и энергию.
3. Выяснен основной механизм нейтрализации зарядки изолированной
мишени при ее обработке ускоренным импульсным электронным пучком.
Научная и практическая ценность работы.
1. Создан форвакуумный плазменный источник электронов,
обеспечивающий при давлении 5-20 Па генерацию широкоапертурного
импульсного электронного пучка микросекундного диапазона длительностей с
плотностью энергии пучка в импульсе, достигающей 10 Дж/см .
2. Существенно расширен диапазон возможных технологических
применений плазменных электронных источников, в частности, показана
возможность использования разработанного устройства для импульсной
электронно-лучевой обработки поверхности 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. В импульсном режиме функционирования форвакуумного плазменного источника электронов на основе разряда с полым катодом, процесс инициирования этого разряда, так же как в непрерывном режиме, стимулируется ионным потоком из плазмы слаботочного высоковольтного тлеющего разряда, возникающего в ускоряющем промежутке при повышенных давлениях. Особенность импульсного режима состоит в том, что временная
задержка зажигания основного разряда с полым катодом существенно снижается с ростом ускоряющего напряжения, определяющего установившееся значение тока разряда в ускоряющем промежутке, а, следовательно, и величину тока инициирующих ионов.
2. В процессе генерации импульсного электронного пучка форвакуумным
плазменным источником электронов предельные параметры пучка: ток,
плотность тока, длительность импульса и энергия в значительной степени
определяются обратным потоком ионов из пучковой плазмы, образующейся в
области, непосредственно прилегающей к ускоряющему промежутку со
стороны пространства дрейфа электронного пучка.
При обработке форвакуумным плазменным источником электронов изолированной мишени практически полная нейтрализация наводимого на поверхность мишени отрицательного заряда электронного пучка обеспечивается главным образом ионным потоком, состоящим в свою очередь из ионов пучковой плазмы, а также ионов несамостоятельного разряда, возникающего между мишенью и заземленными стенками вакуумной камеры.
Форвакуумный плазменный источник электронов обеспечивает при давлении 5-20 Па генерацию широкоапертурного импульсного электронного пучка с током до 120 А с энергией электронов до 20 кэВ и длительностью импульса до 200 мкс. Достигнутая в плазменном источнике плотность энергии электронного пучка в импульсе 10 Дж/см достаточна для эффективной модификации поверхностных свойств проводящих и непроводящих материалов.
Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на 16-м Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2010 г.), на 10-й Международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007 г.), на 9-й международной конференции по электронно-лучевым технологиям (ЕВТ'09) (Варна, Болгария, 2009г.), на 7-й международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2010 г.), на 13-ий 14-й Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск, 2007 г., 2008 г.), на Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2009 г., 2010 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 импульсного источника электронов. Окончательная редакция защищаемых научных положений и выводов по работе
осуществлялась совместно с научным руководителем при активном творческом участии соискателя.
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 12 работ, включая 4 статьи в реферируемых журналах, 6 полных текстов докладов на Международных конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 110 страниц машинописного текста, 66 иллюстраций. Список цитируемой литературы включает 92 наименования.
