Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние и дальнейшее совершенствование технологий модификации поверхностных свойств конструкционных материалов, связанных с использованием электронных пучков, стимулирует разработку новых источников электронов. Ряд технологических задач, например, плазмохимическое травление, плазмохимическое осаждение покрытий на протяженные плоские образцы требует создания однородного плазменного образования большой (порядка 1 м ) площади типа «плазменный лист». Одним из наиболее перспективных способов формирования такого плазменного образования оказывается ионизация газа электронным пучком ленточной конфигурации. Поскольку эффективная передача энергии пучка газу и достижение приемлемой концентрации плазмы возможны при достаточно высоких (1-100 Па) давлениях, то становится очевидной сложность использования для этих целей электронного источника на основе термоэмиссионного катода. Альтернативное решение состоит в применении плазменного источника электронов, основанного на эмиссии электронов из плазмы газового разряда. Традиционный диапазон рабочих давлений большинства современных плазменных электронных источников находится в пределах 10"3-1 Па. Создание электронной пушки, надежно функционирующей и обеспечивающей стабильные характеристики электронного пучка при более высоких давлениях - в форвакуумном диапазоне (1-25 Па), позволило бы существенно расширить возможности установок электронно-лучевой технологии. Практически во всех существующих плазмохимиче-ских установках область генерации пучка и зона реакции разделяется сложной и дорогостоящей системой дифференциальной откачки. Очевидно, что использование электронных пучков большого сечения в этих установках затруднено из-за сложности или невозможности создания требуемого перепада давлений между указанными областями. Осуществление генерации электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений позволило бы отказаться от использования систем дифференциальной откачки и сделать технологический процесс более простым, надежным и рентабельным.
Для решения задач генерации в источниках с плазменным катодом электронных пучков большого сечения, в том числе и пучков ленточной конфигурации, при повышенном давлении вплоть до форвакуумного диапазона наиболее перспективными представляются устройства, использующие для формирования пучка эмиссию электронов с развитой плазменной границы. Плазму следует получать в разрядах с электродами, размеры которых сравнимы с размерами пучка, например, в разряде с полым катодом. Отсутствие в таких источниках накаленных до термоэмиссионной температуры электродов делает их некритичными к функционированию в области относительно высоких давлений.
ГОС НАЦИОНАЛЬНАЯ } БИБЛИОТЕКА і
Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с исследованиями и разработкой плазменного источника ленточного электронного пучка на основе разряда с полым катодом для форвакуумного диапазона давлений, представляется актуальной.
Целью настоящей работы являются:
-
Исследование эмиссионных свойств протяженной плазмы, образованной в разряде с полым катодом в форвакуумной области давлений, и выявление степени влияния условий формирования электронного пучка на его пространственную однородность
-
Исследование процессов, определяющих электрическую прочность ускоряющего промежутка плазменного источника электронов при его работе в форвакуумной области давлений.
3. Разработка на основе разряда с полым катодом плазменного источника электронов для генерации пучка ленточной конфигурации в форвакуумном диапазоне давлений и исследование возможности его использования для различных видов плазменной обработки.
Научная новизна работы заключается в том, что:
-
Выявлены особенности формирования электронного пучка ленточной конфигурации при отборе электронов из протяженной плазмы разряда с полым катодом в форвакуумной области давлений, изучено влияние обратного ионного потока на однородность параметров электронного пучка и определены условия достижения требуемой однородности параметров электронного пучка.
-
Установлены два различных механизма пробоя ускоряющего промежутка плазменного источника электронов, функционирующего в форвакуумном диапазоне давлений и предложен ряд технических решений, способствующих повышению электрической прочности промежутка в условиях генерации электронного пучка.
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенных исследований создан простой и надежный электронный источник с плазменным катодом, который в форвакуумном диапазоне давлений, вплоть до 10 Па, позволяет получать стационарный электронный пучок ленточной конфигурации со стабильными параметрами. Разработанный источник использован для генерации плазмы в форме «листа» площадью 50x30 см2. Показана возможность применения такого генератора плазмы в технологии осаждения покрытий.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием различных экспе-
»»% * м
риментальных 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:
-
В форвакуумной области давлений однородность плотности тока ленточного электронного пучка, генерируемого плазменным источником электронов на основе разряда с полым катодом, определяется в равной степени как процессами генерации однородной плазмы в полости, так и влиянием обратного потока ионов, образованных в ускоряющем промежутке и области транспортировки электронного пучка. Между ионным потоком и плотностью плазмы существует положительная обратная связь, многократно усиливающая локальную неоднородность эмиссионного тока Требуемая однородность электронного пучка может быть достигнута размещением в катодной полости торцевых диэлектрических стенок, а также применением двух эмиссионных сеток с разным размером ячеек для рассеяния обратного ионного потока и подавления положительной обратной связи.
-
В плазменном источнике электронов, генерирующем пучок в форвакуумной области давлений, нарушение электрической прочности ускоряющего промежутка происходит в результате двух различных типов реализации пробоя: «плазменного», связанного с распространением плазмы из разрядной области в ускоряющий промежуток, контролируемого током разряда, и «межэлектродного» - обусловленного зажиганием разряда между электродами ускоряющего промежутка, контролируемого эмиссионным током. Повышение электрической прочности промежутка может быть достигнуто эффективным экранированием области генерации плазмы от электрического поля ускоряющего промежутка для препятствования «плазменному» пробою и использованием в качестве материала эмиссионного электрода металла с высокой пороговой напряженностью дугообразования для предотвращения «межэлектродного» пробоя.
-
Плазменный источник электронов на основе разряда с протяженным полым катодом обеспечивает при давлении газа I - 10 Па генерацию непрерывного электронного пучка ленточной конфигурации сечением 25x1 см2 током до 1А и энергией до 8 кВ. Для указанной области давлений, достигнутые параметры являются рекордными.
Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на 6-й и 7-й международных конференциях по модификации свойств материалов пучками частиц и плазменными потоками (Томск, Россия, 2002, 2004 гг.), the IIth International Congress on Plasma Physics (Sydney, Australia, 2002), the 7,h International Conference on Electron Beam Technologies (Varna, Bulgaria, 2003), the 16th
International Symposium on Plasma Chemistry (Taormina, Italy, 2003), 13 International Symposium on High Current Electronics (Tomsk, Russia, 2004), международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, Россия, 2004г.).
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 22 работы и получен патент Российской Федерации на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация содержит 134 страниц машинописного текста, 68 иллюстраций, список цитируемой литературы из 103 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
