Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Генерирование ионных пучков на основе разрядов низкого давления с холодными катодами 12
1.1. Вакуумный дуговой разряд в источниках ионов металлов 14
1.1.1. Методы получения пучков ионов металла в источниках на основе вакуумного дугового разряда 15
1.1.2. Распределение ионов плазмы вакуумного дугового разряда по зарядам и скоростям 24
1.1.3. Влияние магнитного поля и давления газа на параметры плазмы в вакуумных дуговых ионных источниках 32
1.2. Тлеющий разряд с полым катодом для генерации пучков ионов газов 35
1.2.1. Физические особенности процессов генерации плазмы 36
1.2.2. Сильноточный тлеющий разряд с полым катодом в источниках заряженных частиц 42
1.3. Источники ионов на основе разрядов низкого давления 46
1.3.1. Источники ионов на основе дугового разряда с катодным пятном 46
1.3.2. Источники заряженных частиц на основе разряда с полым катодом 52
1.4. Выводы и постановка задач исследований 60
Глава 2. Экспериментальные установки и методы исследований разрядов низкого давления с холодными катодами 65
2.1. Методика исследований параметров плазмы разрядов 65
2.1.1. Особенность зондовой методики измерения параметров плазмы 66
2.1.2. Исследование масс-зарядового состава плазмы 70
2.2. Тлеющий разряд с внешней инжекцией электронов в катодную полость 75
2.2.1. Газоразрядная система с внешней инжекцией электронов 75
2.2.2. Особенности инжекции электронов в плазму разряда 81
2.2.3. Влияние конфигурации электродов на разряд и параметры плазмы 86
2.3. Вакуумный дуговой разряд 91
2.3.1. Генерация плазмы в разрядных системах на основе вакуумной дуги... 92
2.3.2. Эмиссионный метод исследования параметров плазмы вакуумного дугового разряда 101
2.4. Выводы 104
Глава 3. Исследования направленных скоростей ионов металлов плазмы вакуумного дугового разряда эмиссионными методами 107
3.1. Исследование влияния заряда ионов на их направленную скорость в плазме 108
3.1.1. Направленные скорости ионов в условиях низкого давления газа.. 108
3.1.2. Скорости ионов при повышенном давлении газа 118
3.2. Исследование направленных скоростей ионов для различных материалов катодов 122
3.2.1. Влияние напряжения горения вакуумной дуги на направленную скорость ионов 123
3.2.2. Скорости ионов различных материалов катодов 131
3.3. Анализ результатов экспериментов и их сравнение
С существующими моделями ускорения ионов 135
3.4. Выводы 141
Глава 4. Генерация многозарядных ионов металлов в плазме вакуумной дуги 143
4.1. Генерация многозарядных ионов в вакуумной дуге с сильным магнитным полем 144
4.2. Генерация многозарядных ионов при нестационарных процессах ионизации в плазме вакуумной дуги 153
4.2.1. Особенности разрядных устройств для исследования зарядового распределения в условиях нестационарных процессов 154
4.2.2. Увеличение зарядности ионов при приложении дополнительного импульса тока вакуумной дуги 155
4.2.3. Зарядовое распределение ионов при сочетании дополнительных импульсов тока с внешним магнитным полем 161
4.2.4. Исследование влияния повторяющихся «скачков» тока на зарядовое распределение ионов металла 165
4.3. Использование электронного пучка для многократной ионизации в вакуумной дуге 170
4.4. Выводы 176
Глава 5. Генерация ионов газа в вакуумном дуговом разряде 178
5.1. Исследование процессов в плазме вакуумного дугового разряда,
Приводящих к появлению ионов газовых примесей 179
5.1.1. Влияние давления газа на масс-зарядовое распределение ионов в плазме дугового разряда 179
5.1.2. Влияние состояния поверхности электродов на появление ионов примесей 190
5.2. Генерация широкоапертурных пучков ионов газа и металла с регулируемым соотношением компонентов 203
5.2.1. Исследование генерации ионов в разрядной системе на основе двух независимых дуговых разрядов 204
5.2.2. Генерирование пучков ионов газа и металла
На основе вакуумного дугового разряда в магнитном поле 211
5.3. Инициирование вакуумного дугового разряда газоразрядной плазмой 214
5.4. Выводы 220
Глава 6. Влияние внешней инжекции электронов на параметры разряда с полым катодом и его ионно-эмиссионные свойства 223
6.1. Влияние инжекции электронов на параметры тлеющего разряда с полым катодом 224
6.1.1. Инициирование разряда 225
6.1.2. Область рабочих давлений разряда 227
6.1.3. Напряжение горения разряда 230
6.1.4. Влияние инжекции электронов на параметры разряда в условиях отбора ионов из плазмы 233
6.1.5. Масс-зарядовый состав ионного пучка 236
6.2. Предельные параметры разрядной системы с полым катодом 240
6.3. Формирование и транспортировка пучков ионов при низком давлении газа 244
6.3.1. Особенности использования различных ускоряющих систем для формирования пучков ионов 244
6.3.2. Особенности транспортировки ионного пучка 247
6.4. Выводы 253
Глава 7. Источники широкоапертурных ионных пучков и их применения 255
7.1. Источники ионов на основе вакуумной дуги 255
7.1.1. Источник ионов на основе вакуумной дуги, инициируемой пеннинговским разрядом в сильном магнитном поле 255
7.1.2. Модернизация вакуумных дуговых ионных источников ranamewa... 259
7.1.3. Модернизация ионного источника "титан" 265
7.1.4. Поперечное извлечение ионного пучка из плазмы вакуумной дуги 276
7.2. Ионный источник на основе тлеющего разряда с полым катодом и внешней инжекцией электронов 280
7.3. Некоторые применения ионных источников 296
7.3.1. Применение пучков ионов газов и металлов, генерируемых источниками на основе вакуумного дугового разряда 296
7.3.2. Применение устройств на основе тлеющего разряда с полым катодом и внешней инжекцией электронов 304
7.3.3. Исследование вторичной ионно-электронной эмиссии ионов металлов 306
7.4. Выводы 310
Заключение 313
Литература
- Методы получения пучков ионов металла в источниках на основе вакуумного дугового разряда
- Тлеющий разряд с внешней инжекцией электронов в катодную полость
- Исследование направленных скоростей ионов для различных материалов катодов
- Увеличение зарядности ионов при приложении дополнительного импульса тока вакуумной дуги
Методы получения пучков ионов металла в источниках на основе вакуумного дугового разряда
Интенсивное развитие физики и техники плазменных ионных источников на начальном этапе было во многом связано с их применением в качестве инжекторов ускорителей ионов высоких энергий. В дальнейшем развитие источников было обусловлено использованием ионных пучков для нагрева плазмы в устройствах термоядерного синтеза. Появление полупроводниковых приборов, для изготовления которых использовался процесс ионной имплантации, послужило причиной возникновения целого класса источников для этих процессов. И, наконец, активно развивающееся в последние 20 лет технологическое направление, связанное с воздействием ионных пучков и плазменных потоков на поверхность конструкционных материалов (рис. 1.1), также потребовало создания нового класса ионных источников.
К современным ионным источникам для технологических применений предъявляются следующие основные требования: высокие физико-технические параметры, простота и надежность в эксплуатации, относительно невысокая стоимость. Для удовлетворения этих требований целесообразно использование разрядов с холодными катодами, к которым традиционно относят вакуумный дуговой и тлеющий разряды. Именно отсутствие накаливаемых катодов приводит к возможности создания конструктивно простых, надежных при длительной эксплуатации и некритичных к вакуумным условиям ионных источников.
Уровень развития, классификация, принципы построения, конструктивные особенности, характеристики и параметры современных широкоапертурных ионных источников на основе разрядов с холодными катодами достаточно подробно описаны в известных монографиях [1-7] и обзорах [8-11], а также в сборниках докладов последних международных конференций, посвященных этой проблеме [12-14]. В настоящей главе затронуты только те вопросы, рещение которых было непосредственно связано с тематикой представляемой работы, причем основное внимание уделено N, отн.ед.
Зависимость тока вакуумного дугового разряда от средней мощности устройства (заштрихованные символы - непрерывные устройства, не заштрихованные - импульсные): п - ионные источники, А - дуговые распылители, - плазменные насосы, V - электронные источники [38-47]. рассмотрению физических принципов построения ионных источников, выявлению проблем, ограничивающих их дальнейшее развитие, а также формулированию задач исследований и путей их решения.
Для генерации пучков ионов металлов возможно использование различных методов, а именно: термическое испарение металла с последующей ионизацией [15-18]; ионизация газообразных соединений типа UF3 [19]; распыление и ионизация атомов металлов в разряде с термоэмиссионным катодом [20, 21], в контрагированном разряде [22-25], в тлеющем разряде с полым катодом [26] или в ВЧ-разряде [27, 28]. Возможно также использование ионизации лазерным излучением [54] или, в случае щелочных металлов, ионизации нагретой поверхностью [30-32]. Однако именно источники ионов, в которых генерация плазмы осуществляется в катодных пятнах вакуумной дуги [33-35], обладают рядом принципиальных преимуществ по сравнению с устройствами другого типа. Это обусловлено рядом физических особенностей, присущих вакуумному дуговому разряду. Прежде всего, катодное пятно вакуумной дуги может существовать на всех проводящих материалах, следовательно, возможна генерация любого типа ионов металлов, а при использовании композиционных катодов на основе проводящих соединений - и ионов элементов, входящих в состав этих соединений [3]. Практически неограниченная эмиссионная способность катодного пятна вакуумной дуги обеспечивает высокие эмиссионные параметры ионных источников на основе разряда такого типа. Несмотря на плотности тока порядка 10 -10 А/см , катодное пятно функционирует на интегрально холодной поверхности катода, следовательно, такому методу генерации ионов присущи все преимущества ненакального эмиттера. В катодном пятне вакуумной дуги процессы испарения и ионизации материала катода связаны в единый механизм, что обеспечивает высокую эффективность использования материала катода. Доля ионизованного компонента материала катода достигает для тугоплавких металлов 100 %, при этом в плазме присутствует значительное количество ионов с зарядностыо Q 2 [3]. Доля ионного тока в токе вакуумной дуги составляет около 8 % [36], что, в совокупности с низким уровнем напряжения горения вакуумной дуги (20-40 В), обеспечивает высокую энергетическую эффективность генерации ионов в вакуумно-дуговом источнике. Указанные особенности обеспечивают преимущество использования вакуумной дуги для генерации металлической плазмы в ионных источниках по сравнению с другими методами.
Одним из фундаментальных свойств вакуумной дуги является факт, что устойчивое существование катодного пятна возможно при токах, значительно превышающих пороговый ток [37]. Значение порогового тока дуги ограничивает минимальное значение тока разряда, а переход тока дуги в килоамперный диапазон приводит к появлению нестабильностей дуги, связанных с неустойчивым токопрохождением в разрядном промежутке. Таким образом, отмеченная область стабильных токов горения вакуумного дугового разряда ограничивает диапазон параметров дуги, используемых в различных устройствах на ее основе.
Как следует из имеющихся литературных данных [38-47], в ионных источниках значения токов вакуумного дугового разряда занимают более узкую область (рис. 1.2). Несмотря на принципиальную возможность использования разряда такого типа как для генерации ионных пучков в импульсно-периодической, так и в непрерывной формах горения, реализация непрерывного режима затруднена относительно высоким значением порогового тока вакуумной дуги, определяющим минимальную мощность ионного пучка, которая в данном случае будет составлять десятки киловатт, что многократно превышает необходимые в настоящее время параметры технологического ионного источника или инжектора ионов.
Тлеющий разряд с внешней инжекцией электронов в катодную полость
Физические особенности процессов генерации плазмы Экспериментально показано [141, 149], что эффект полого катода наблюдается в определенном диапазоне рабочего давления, когда полная длина пробега осциллирующих электронов превышает характерный размер катодной полости. Признаками эффекта полого катода являются понижение напряжения горения разряда и увеличение его тока (рис. 1.8), а также уменьшение нижнего предельного рабочего давления.
Увеличение плотности тока при возникновении эффекта полого катода может быть обусловлено несколькими причинами. Так, в работах [141, 150, 151] указывается что в разряде с полым катодом может возрастать роль квантов ультрафиолетового излучения из объема плазмы вызывающих дополнительную эмиссию электронов с катода. Другой причиной может быть ионизация газа в катодном падении потенциала [144]. Для выявления сравнительной роли этих факторов в работе [152] проводился эксперимент по инверсии катодной полости в аксиальном магнитном поле когда цилиндрический полый катод заменялся на стержень того же диаметра. При этом доля квантов ультрафиолетового излучения, достигающая поверхности катода, уменьшалась по крайней мере в два раза, но это не вызывало заметных изменений характеристик разряда. На основании данных исследований авторами работы [152] был сделан вывод о том что эмиссия электронов в результате фотоэффекта может играть лишь второстепенную роль в развитии эффекта полого катода, и высказано предположение о том, что основным фактором является размножение электронов в области катодного падения и,В
Зависимость рабочего давления тлеющего разряда с полым катодом от отношения площади выходной апертуры катодной полости к площади внутренней поверхности катода [161]. Напряжение горения 600 В. 1 -экспериментально измеренная зависимость, 2 - экстраполяция правой ветви кривой 1 в область меньших давлений. потенциала. Однако очевидно, что роль данного фактора снижается при увеличении тока разряда, когда протяженность катодного падения потенциала становится малой по сравнению с размерами катодной полости.
В отличие от дуговых разрядов, минимальный ток тлеющего разряда с полым катодом ограничен устойчивостью системы плазма-слой в катодной полости [153-155]. Значения минимального тока разряда, оцененные согласно критерию устойчивости плазмы, полученному в работах [153-155], составляют доли миллиампера для характерного размера полости 10 см. Максимальное значение тока разряда ограничено зажиганием катодных пятен вакуумной дуги и переходом разряда в дуговой режим горения. Как правило, это значение может составлять от единиц ампер для непрерывной формы горения разряда, и до сотен ампер - в случае импульсной. Таким образом, малые значения тока, при котором возможно горение разряда, позволяют, в отличие от вакуумной дуги, использовать в ионных источниках как импульсную, так и непрерывную форму горения разряда.
В условиях низкого давления длина свободного пробега электронов А,е становится много больше характерных размеров разрядного промежутка. При этом основная ионизация осуществляется не в форме электронной лавины в катодном слое [156], а во всем объёме разрядной плазмы. Протяженность катодного падения потенциала d может быть определена из совместного решения известных уравнений Чайлда-Ленгмюра и Бома:
Однородность плотности ионного тока по поверхности полого катода зависит как от геометрической формы катода, так и от рабочего давления. В длинной и узкой катодной полости плотность разрядной плазмы, а следовательно, и ионного тока возрастает по мере приближения к выходной апертуре катода, обращенной к аноду [157]. При понижении рабочего давления распределение становится более равномерным. Показано [148], что при давлении, когда средняя длина свободного пробега электронов превышает характерный размер полости, плотность ионного тока распределена по внутренней поверхности полого катода практически равномерно. Следует заметить, что наложение магнитного поля на область тлеющего разряда с полым катодом приводит к искажению распределения плотности плазмы из-за анизотропии осциллирующих электронов [158].
Геометрия разрядной системы оказывает значительное влияние на условия генерации разрядной плазмы и, следовательно, на параметры разряда [159, 160]. Для достижения эффективной осцилляции быстрых электронов нужно либо уменьшать выходную апертуру катодной полости, либо увеличивать размеры катода. В работе [161] для экспериментов использовался полый катод цилиндрической формы, с одного торца которого располагался подвижный поршень, электрически соединенный с катодом и позволяющий изменять длину катодной полости, а с другого торца устанавливались сменные диафрагмы с отверстиями различного диаметра, также под потенциалом катода. Анодом разряда служила вакуумная камера. Разряд зажигался вблизи минимума кривой Пашена, затем давление постепенно понижалось при этом проводилось измерение зависимостей напряжения горения разряда Ur от давления р для различных диаметров выходной апертуры катодной полости и для различных длин катода.
Измерения показали, что снижение отношения площади выходной апертуры катодной полости к площади внутренней поверхности катода Sa/SK путем уменьшения площади выходной апертуры, а также увеличения длины катода приводит к значительному уменьшению рабочего давления при постоянном напряжении горения (рис. 1.9, кривая 1, область правее минимума), а также нижнего предельного рабочего давления. Более того, в этой области рабочее давление р прямо пропорционально отношению Sa/SK. Экстраполируя зависимость рабочего давления от величины Sa/SK в область меньших значений р, можно предположить, что уменьшение Sa/SK приведет к дальнейшему понижению давления (рис. 1.9, кривая 2). Однако, этого не происходит. Нижнее предельное давление, а также рабочее давление при заданном напряжении горения (рис. 1.9, кривая 1, область левее минимума) резко возрастают. При этом в области выходной апертуры образуется двойной электростатический слой с напряжением 10 - 40 В.
Поскольку катодная полость представляет собой электростатическую ловушку для быстрых электронов, покинуть которую они могут лишь через выходную апертуру в результате хаотических осцилляции, доля энергии первичного электрона, используемая на ионизацию, зависит от Л/L, где Л -длина релаксации электрона, то есть среднее расстояние, на котором его первоначальная энергия уменьшается до порога ионизации , рабочего газа, а L - средняя длина траектории электрона внутри катодной полости до его выхода через апертуру.
Исследование направленных скоростей ионов для различных материалов катодов
Особенность зондовой методики измерения параметров плазмы Конструкция экспериментальной разрядной системы, используемая для зондовых исследований тлеющего разряда с полым катодом, представлена на рис. 2.1. В случае проведения исследований параметров плазмы вакуумной дуги ячейка вспомогательного разряда заменялась на катодный узел, а полый катод тлеющего разряда использовался в качестве полого анода дугового разряда. Ускоряющее ионы напряжение прикладывалось между этим электродом и коллектором, находящимся под высоким потенциалом. Принимались меры по предотвращению попадания вторичных электронов ионно-электронной эмиссии в разрядную систему. Все это позволяло проводить зондовые измерения плазмы при приложении ускоряющего напряжения и таким образом условия эксперимента были полностью идентичны с рабочими условиями в ионных источниках.
Масляные пленки, образующиеся при полимеризации паров вакуумного масла при горении разрядов, могут приводить к значительному изменению параметров разряда и зондовых характеристик с течением времени [232]. В связи с этим, вакуум в данной установке обеспечивался откачкой с использованием криогенного или турбомолекулярного насосов производительностью не менее 0,5 м3/с. Предварительная откачка производилась с применением азотной ловушки. Эти меры позволили получить удовлетворительную временную стабильность и повторяемость результатов измерений.
В некоторых случаях потенциал плазмы достаточно точно определяется плавающим потенциалом холодного зонда. Однако для разрядов низкого давления, когда длина пробега заряженных частиц сравнима или много больше характерных размеров разрядного промежутка, в плазме имеется значительная доля высокоэнергетичных электронов. Очевидно, что в этом случае потенциал зонда будет отличен от потенциала плазмы и будет определяться энергией быстрых электронов. Таким образом, корректное измерение «холодным» зондом потенциала плазмы разрядов низкого давления представляется крайне затруднительным.
Метод измерения потенциала плазмы термоэмиссионным зондом [234] имеет существенные преимущества по сравнению с холодным зондом. Он позволяет непосредственно измерять потенциал плазмы и, следовательно, имеет более высокую точность (абсолютная ошибка измерений составляет величину порядка долей вольта, что соответствует энергии термоэлектронов). Вместе с тем, не существует принципиальных ограничений минимального размера зонда, поэтому возмущение параметров плазмы, привносимое зондом, может быть минимальным. При этом вследствие малых размеров зонда «потери» высокоэнергетичных электронов разряда на поверхность зонда незначительны.
Термоэмиссионный зонд 2 (рис. 2.1) представлял собой вольфрамовую нить диаметром 0,2 мм и длиной около 3 мм, располагавшуюся на торце вакуумноплотной керамической трубки диаметром 3 мм. Зонд разогревался до температуры эмиссии протеканием постоянного тока, подводимого через проводники, проходящие в отверстиях керамической трубки. Падение напряжения на нити накала не превышало 1 В. Источник питания накала был изолирован от источников питания разрядов и от потенциала земли. Ток накала нити зонда, необходимый для обеспечения достаточной эмиссии, выбирался следующим образом. Зонд помещался в плазму разряда, и потенциал зонда измерялся высокоомным вольтметром в зависимости от тока накала. Выход
Следует отметить, что потенциалы холодного зонда и зонда при наличии эмиссии электронов значительно отличаются (рис. 2.2). Распределение потенциала плазмы тлеющего разряда, полученное с помощью эмиссионного зонда, имеет все области, характерные для данного вида разряда - катодное падение потенциала, эквипотенциальную область разрядной плазмы и анодное падение. Напротив, потенциал холодного плавающего зонда близок к потенциалу катода в любой точке разрядного промежутка, что свидетельствует о его зарядке электронами с энергией, соответствующей катодному падению потенциала. Поток этих электронов на зонд не позволяет провести корректные измерения потенциала плазмы холодным зондом. То же самое происходит при измерении потенциала плазмы вакуумного дугового разряда. Высокоэнергетичные электроны плазмы заряжают холодный плавающий зонд до отрицательного, относительно полого анода, потенциала величиной -(30-40) В. Вместе с тем, измерения потенциала этой же точки пространства, выполненные с помощью термоэмиссионного зонда, дают значение +6 В.
В то же время, использование одиночного зонда Ленгмюра под отрицательным потенциалом, достаточно высоким для отражения быстрых электронов плазмы, позволяет оценить концентрацию плазмы и измерить ее распределение. В случае тлеющего разряда для этого можно использовать соотношение, основанное на формуле Бома: I3=0A3 l+fteni2kTe/Mt)m.S3 , (2.1) где 13 - ток зонда, / - коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии, S3 -площадь поверхности зонда. Те - температура электронов, М, - масса иона. Для вакуумного дугового разряда связь тока на зонд и концентрации плазмы может быть представлена в виде: I3= Q en-vrS3 (2.2) где Q и V/ - средние зарядность и скорость ионов в плазме. Абсолютная погрешность в измерении концентрации п достаточно велика вследствие, прежде всего, неточности определения величин, входящих в правые части выражений (2.1) и (2.2). Напротив, относительные измерения п (пространственное распределение) имеют достаточно высокую точность, и погрешность измерений в этом случае не превышает, согласно оценкам, 5 %.
Исследование масс-зарядового состава плазмы Одним из важнейших параметров плазмы, определяющих эмиссионные свойства, является ее масс-зарядовый состав. Существуют различные методы его измерения. Магнитный спектрометр обладает хорошей разрешающей способностью и высокой чувствительностью, однако достаточно сложен и имеет высокую стоимость. При спектроскопических исследованиях состава плазмы, кроме измерения интенсивности линий, соответствующих различным видам ионов, необходимо также учитывать сечение возбуждения и его зависимость от энергии электронов, поэтому количественные измерения представляются затруднительными. Времяпролетный спектрометр имеет удовлетворительную разрешающую способность (более 10), широкий диапазон измерения масс ионов (1-300 а.е.м.) и относительно высокую чувствительность [235]. Его существенными преимуществами являются: возможность одновременного измерения долей всех компонентов пучка и прямое измерение состава ионного пучка, извлекаемого из плазмы разряда. Необходимо отметить, что этот метод накладывает определенные ограничения на давление в вакуумной камере спектрометра, поскольку рассеяние пучка ионов на атомах остаточного газа и потери энергии должны быть незначительны при транспортировке пучка на расстояние порядка метра. Однако данное ограничение не является существенным для исследуемых разрядов, функционирующих при пониженных давлениях газа.
Увеличение зарядности ионов при приложении дополнительного импульса тока вакуумной дуги
Существование вспомогательного разряда обеспечивает стабильное инициирование основного разряда при достаточно низком напряжении на его электродах. Для инициирования вспомогательного разряда использовались как система на основе магнетронного разряда между инициирующим электродом 5 и катодом вспомогательного разряда 3 в магнитном поле, создаваемом кольцевым постоянным магнитом (рис. 2.7,6), так и пробой по поверхности диэлектрика между этими же электродами.
Поток рабочего газа с регулируемым расходом до 3-Ю3 см3-атм/ч подается в катодную полость вспомогательного разряда. Оценки показывают, что за счет существования перепада давления на выходной апертуре катодной полости и эмиссионном отверстии в катоде основного разряда давление в области вспомогательного разряда и области основного разряда различаются не менее чем на порядок величины. Минимальный расход газа, при котором возможно существование вспомогательного разряда, составляет 10 см -атм/ч, при этом давление в вакуумной камере - 2-10 Торр. В то же время перепад давлений на электродах ускоряющей системы незначителен, поскольку суммарная площадь поверхности отверстий в электродах ускоряющей системы достаточно велика. Регулировка рабочего давления осуществляется изменением расхода рабочего газа. В качестве рабочих газов использовались аргон, гелий, азот, кислород, метан.
Для определения доли электронов, отбираемых из плазмы вспомогательного разряда и инжектируемых в катодную полость, на коллектор 1, установленный напротив эмиссионного отверстия, подавалось положительное относительно анода вспомогательного разряда 2 смещение (рис. 2.8). Катод 2 и анод 3 основного разряда при проведении измерений были электрически соединены между собой. Несмотря на отсутствие плазмы основного разряда условия измерения были близки к реальным условиям горения разряда, поскольку расстояние от эмиссионного отверстия до коллектора 1 было приблизительно равно типичной протяженности катодного падения потенциала, а напряжение на коллекторе было близко к напряжению горения основного разряда. Ток инжекции электронов в катодную полость
Рис. 2.8. Схема эксперимента по измерению тока электронов, инжектированных вспомогательным разрядом в катодную полость. 1 -коллектор электронов, 2 - анод вспомогательного разряда (катод основного разряда), 3 - анод основного разряда, 4 - катод вспомогательного разряда. Источники питания: I - вспомогательного разряда, II - извлекающего напряжения.
Зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе. 1 -ток катода вспомогательного разряда 50 мА; 2-100 мА; 3 - 200 мА; 4 - 300 мА. Рабочий газ - аргон. основного разряда составлял более 75 % от тока катода вспомогательного разряда (рис. 2.9). При увеличении расхода газа с 10 до 10 см -атм./ч ток коллектора возрастал с 75 до 120 % от тока катода вспомогательного разряда. Превышение тока коллектора над током вспомогательного разряда при больших расходах газа, по-видимому, связано с дополнительной ионизацией рабочего газа в области выходной апертуры катодной полости. При минимальном расходе отношение тока электронов, инжектированных в катодную полость, к току вспомогательного разряда приблизительно соответствовало геометрической прозрачности сетки 4 (рис. 2.7). Таким образом, использование данной разрядной системы позволяло отбирать из плазмы вспомогательного разряда и инжектировать в катодную полость электронный пучок с током более 75 % от тока вспомогательного разряда.
Для электрического питания вспомогательного и основного разрядов в стационарном режиме горения использовались выпрямители с напряжением холостого хода порядка 1 кВ, соединенные с катодами через балластные резисторы. С целью изучения временных характеристик зажигания разряда и определения его предельных параметров наряду со стационарным режимом горения была реализована импульсная форма разряда. Для электрического питания разрядов в импульсном режиме применялись четырехсекционные искусственные формирующие линии. В импульсной форме коммутация тока вспомогательного разряда осуществлялась поджигающим импульсом. Временная задержка инициирования основного разряда после коммутации вспомогательного разряда составляла 5-20 мкс.
Отбор ионов осуществлялся с помощью ускоряюще-замедляющей многоапертурной ионно-оптической системы 6 (рис. 2.7.6), постоянным ускоряющим напряжением величиной до 30 кВ, прикладываемым между полым катодом основного разряда, находящимся под высоким положительным потенциалом, и заземленным ускоряющим электродом. Для отсечки вторичных электронов, выбиваемых ионным пучком с поверхности коллектора, на запирающий электрод подавалось постоянное отрицательное относительно земли напряжение величиной до 3 кВ. Электроды ионно-оптической системы были изготовлены из меди или алюминиевого сплава. Все три электрода имели одинаковую прозрачность, значение которой составляло 50 %. Диаметр ионного пучка вблизи ионно-оптической системы составлял 10см. При сравнительно низком (до 10 кВ) ускоряющем напряжении использовалась система извлечения ионов с открытой плазменной поверхности, имевшая всего один сеточный электрод, находящийся под небольшим отрицательным потенциалом для предотвращения попадания вторичных электронов из области транспортировки пучка в объем разрядной камеры.
Особенности инжекции электронов в плазму разряда Параметры тлеющего разряда с полым катодом, поддерживаемого инжекцией электронов в катодную полость, во многом определяются характеристиками электронного потока. Оптимальный выбор энергии и тока инжектируемых электронов способен обеспечить высокие удельные параметры разрядной системы в целом. Максимальный ток ионного пучка, который может быть извлечен из плазмы низковольтного тлеющего разряда через его перфорированный катод, пропорционален току разряда и практически не зависит от напряжения горения. Поэтому уменьшение напряжения горения приводит к возрастанию энергетической эффективности ионного источника.
В экспериментальных исследованиях по определению влияния энергии инжектируемых электронов на параметры разряда с полым катодом использовалась разрядная система, аналогичная представленной на рис. 2.7. Основным отличием используемой разрядной системы была возможность инжекции электронного потока с регулируемой энергией в катодную полость через плоский анод основного разряда. Зависимости напряжения горения основного разряда от напряжения, приложенного между анодами, имели характерный вид кривых с минимумами (рис. 2.10), соответствующими оптимальной энергии инжектируемых электронов. Причем при любых условиях величина ускоряющего электроны напряжения в точке минимума соответствовала напряжению горения основного разряда. В данных экспериментах площадь анода основного разряда превышала значение, при котором происходит образование положительного анодного падения [161]. Потенциал плазмы был приблизительно равен потенциалу анода, а напряжение горения основного разряда была практически равно величине его катодного падения. Таким образом, было экспериментально установлено, что энергия электронов, при которой понижение напряжения горения основного разряда максимально, соответствует величине катодного падения потенциала основного разряда, а отклонение энергии электронов в большую или меньшую сторону от оптимального значения сопровождается увеличением напряжения горения разряда.
Указанный экспериментальный факт может быть объяснен из анализа движения инжектируемых электронов в плазме катодной полости. В случае, если электроны имеют энергию, превышающую катодное падение потенциала, то те из них, которые не испытали неупругих столкновений в плазме, могут «теряться» на поверхности катода. Понижение энергии инжектируемых электронов приводит к снижению эффективности инжекции вследствие уменьшения их ионизационной способности. Вместе с тем, равенство напряжения инжекции и катодного падения потенциала обеспечивает как максимально возможную ионизационную способность инжектируемых электронов, так и отсутствие потерь этих электронов на поверхности катода, приводя к их длительной осцилляции и эффективной ионизации рабочего газа внутри катодной полости. С другой стороны, равенство энергии инжектируемых электронов с энергией электронов, образуемых в результате процесса вторичной ионно-электронной эмиссии на поверхности катода, эквивалентно увеличению коэффициента вторичной эмиссии, которое положительно влияет на характеристики любого тлеющего разряда. Следует также отметить, что относительно пологая правая ветвь зависимостей, приведенных на рис. 2.10, может объясняться как усилением ионизации рабочего газа в катодной полости за счет вторичных электронов, так и относительно высоким давлением газа при котором существенная доля энергии инжектированных электронов может вкладываться в ионизационные процессы
