Введение к работе
Актуальность темы. Способность источников электронов с плазменным катодом функционировать в области повышенных давлений, а также в присутствии химически агрессивных сред, не только делает предпочтительным их использование в электронно-лучевых технологиях модификации поверхностных свойств материалов, но и значительно расширяет область применения электронных пучков. Одним из наиболее перспективных направлений развития источников электронов такого типа является «прорыв» в так называемую форвакуумную область давлений (порядка 1-15 Па), достигаемую при использовании лишь механических средств откачки. В проведенных ранее исследованиях была показана принципиальная возможность получения ускоренных электронных пучков в форвакуумной области давлений. В результате было создано несколько разновидностей форвакуумных плазменных источников электронов, обеспечивающих генерацию непрерывных пучков цилиндрической и ленточной конфигураций.
Ряд принципиальных технологических применений электронных пучков требует существенного повышения в форвакуумной области давлений удельных параметров воздействия электронов, например, плотности мощности электронного пучка. Такая задача может быть, очевидно, решена в результате повышения плотности эмиссионного тока электронного пучка и его последующей фокусировки. По аналогии с плазменными источниками сфокусированных электронных пучков, функционирующими в традиционной области давлений (менее 0.1 Па), и для форвакуумной области принципиальным является ограничение размеров эмиссионной поверхности плазмы до минимально возможных значений. В предельном случае отбор электронов осуществляется из одиночного эмиссионного отверстия (канала). В форвакуумной области давлений при генерации сфокусированных электронных пучков следует ожидать проявления особенностей образования плазменной эмиссионной границы, отбора и ускорения электронов, формирования электронного пучка и его фокусировки, а также транспортировки пучка. Очевидно также, что достижение более высокой плотности мощности электронного пучка не может не влиять на электрическую прочность ускоряющего промежутка.
Таким образом, тематика диссертационной работы, посвященная исследованию особенностей генерации в форвакуумном плазменном источнике электронов сфокусированных электронных пучков, представляется, несомненно, актуальной.
Цель работы состояла в проведении комплекса исследований эмиссионных свойств плазмы, создаваемой в тлеющем разряде с полым катодом в форвакуумной области давлений, и рассмотрении особенностей генерации
электронного пучка с высокой плотностью мощности. В задачу работы входило также создание на основе проведенных исследований плазменного источника электронов, способного генерировать в ранее недоступном форваку-умном диапазоне давлений сфокусированный электронный пучок с плотностью мощности не менее 50 кВт/см2, достаточной для проведения процессов поверхностной обработки, плавки и испарения ряда материалов. Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Продемонстрирована возможность использования слаботочного высоковольтного тлеющего разряда, возникающего в ускоряющем промежутке форвакуумного плазменного источника электронов для инициирования основного разряда с полым катодом. Установлены основные закономерности и выявлены особенности инициирования, а также определены параметры, оказывающие влияние на эффективность инициирования.
Установлено положительное влияние продольного магнитного поля в ускоряющем промежутке на устойчивость функционирования и стабильность параметров форвакуумного плазменного источника электронов, а также на возможность увеличения мощности электронного пучка и повышения предельного рабочего давления источника.
Детально исследованы процессы формирования и транспортировки сфокусированного электронного пучка в форвакуумной области давлений. Описаны условия возникновения пучково-плазменного разряда в фокальной плоскости пучка, показано отрицательное влияние этого разряда на минимально достижимый диаметр пучка.
Показано, что в форвакуумном диапазоне давлений существуют ограничения, накладываемые на протяженность и диаметр эмиссионного канала, обусловленные снижением эффективности извлечения электронов и нарушением электрической прочности ускоряющего промежутка за счет порогового возрастания ионизационных процессов непосредственно в эмиссионном канале.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что:
1. Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий в форвакуумной области давлений (1-15 Па) генерацию электронных пучков с током до 300 мА, энергией до 25кВ и плотностью мощности до 50 кВт/см2.
Существенно расширен диапазон возможных технологических применений плазменных электронных источников, в частности показана возможность использования разработанного устройства для инициирования плазмохимических реакций между парами обрабатываемых металлов и напускаемым в рабочий объем реактивным газом.
Полученные в работе результаты могут быть использованы в других устройствах, имеющих аналогичные разрядные структуры и функ-
ционирующих в области повышенных давлений, а именно: ионно-плазменных напылительных установках, генераторах низкотемпературной плазмы, плазменных источниках ионов и т.д. 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:
В плазменном источнике электронов, функционирующем в форваку-умной области давлений (1-15 Па), возникающий в ускоряющем промежутке слаботочный высоковольтный тлеющий разряд может быть использован для инициирования основного разряда с полым катодом. Увеличение ускоряющего напряжения, расширение эмиссионного отверстия, повышение давления газа и выбор пары рабочий газ - материал катода, обеспечивающий больший коэффициент ион-но-электронной эмиссии, способствуют данному инициированию.
В форвакуумном плазменном источнике электронов с одиночным эмиссионным каналом увеличение диаметра канала с целью обеспечения большей площади эмиссионной поверхности плазмы, возможное лишь при соответствующем удлинении канала, имеет свои ограничения, обусловленные пороговым возрастанием ионизационных процессов в канале, приводящем к нарушению электрической прочности ускоряющего промежутка.
В форвакуумной области давлений при отборе электронов из плазмы через одиночное эмиссионное отверстие, создание продольного магнитного поля в области формирования и ускорения электронов обуславливает в результате стабилизации в ускоряющем промежутке плазменной эмиссионной границы увеличение тока пучка плазменного источника электронов и повышение его предельного рабочего давления.
В плазменном источнике сфокусированного пучка электронов, функционирующем в форвакуумной области давлений, ограничение максимальной плотности тока в фокальной плоскости пучка связано с возникновением в этой области пучково-плазменного разряда. Способами подавления, которого для данного случая, являются увеличение энергии электронов и повышение давления рабочего газа в пространстве дрейфа.
Плазменный источник электронов на основе разряда с полым катодом обеспечивает при давлениях газа 1-15 Па генерацию сфокусированного аксиально-симметричного непрерывного электронного пучка током до 300 мА, энергией до 25 кВ и плотностью мощности до 50 кВт/см2.
Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на: XIII и XIV международном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2004г. и 2006г.); 8 международной конференции по электроннолучевым технологиям (Варна, Болгария, 2006г.); международной конференции IEEE по физике плазмы и ее применениям ICOPS (Монтерей, США, 2005); 34 международной конференции по физике плазмы (ЗР61, 2007, New Mexico, USA); 10 международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007г.); трех международных научно-практических конференциях «Электронные средства и системы управления» (Томск, Россия, 2004г., 2005г. и 2007г.); четвертой международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития» (Томск, Россия, 2007г.); 13 международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2007г.).
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 им были разработаны конструкции двух источников остросфокусированного электронного 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 22 работы, включая 5 статей в реферируемых журналах, 10 полных текстов докладов на Международных конференциях и 1 патент Российской Федерации на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация содержит 117 страниц машинописного текста, 97 иллюстраций, список цитируемой литературы из 113 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
