Введение к работе
Актуальность темы. Наблюдающийся в последнее время неослабевающий интерес к исследованию вакуумного дугового разряда обусловлен не только стремлением понять природу катодного пятна вакуумной дуги, но в большей степени широким использованием такого разряда в качестве генератора плотной плазмы для сильноточных коммутаторов, ионно-плазменных напылительных устройств и источников ионов металлов. Вакуумно-дуговые ионные источники относятся к тем немногочисленным типам источников, для которых магнитное поле не является необходимым условием их работы. Однако известно, что создание в анодной области вакуумной дуги даже относительно слабого магнитного поля, влияющего только на электронный компонент плазмы, приводит к увеличению тока эмиссии, улучшает равномерность распределения плотности эмиссионного тока и обеспечивает генерацию двухкомпонентных пучков ионов газов и металлов. Особенность вакуумного дугового разряда состоит в том, что все основные процессы, определяющие установившиеся параметры плазмы и ее эмиссионные свойства, происходят в достаточно небольшой области, прилегающей к катоду. Это делает возможным создание в устройстве такого типа без больших энергетических затрат достаточно сильного магнитного поля, влияющего не только на электронный, но и на ионный компонент тока дугового разряда. Привлекательность использования в вакуумно-дуговом ионном источнике сильного магнитного поля обусловлена как возможностью дальнейшего увеличения тока эмиссии, так и повышения средней зарядности ионов в плазме из-за возрастания времени жизни ионов в области активной ионизации. Кроме того, использование сильного магнитного поля, локализованного в прикатодной области вакуумного дугового разряда, может обеспечить стабильное инициирование вакуумной дуги при предельно низких давлениях остаточного газа, а также улучшить и другие важные параметры источника ионов на основе вакуумной дуги.
Таким образом, тематика диссертационной работы, связанная с дальнейшим развитием вакуумно-дуговых ионных источников на основе использования в разрядной системе сильного магнитного поля и направленная на модификацию существующих источников такого типа, представляется достаточно актуальной.
Целью настоящей работы являются:
1. Создание в ионном источнике системы инициирования вакуумной дуги на основе вспомогательного газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, стабильно функционирующего при предельно низких давлениях остаточного газа и обеспечивающего при минимальном уровне "примеси" ионов газа максимально высокий ресурс работы устройства.
-
Исследование влияния сильного магнитного поля на параметры вакуумного дугового разряда и ионно-эмиссионные свойства плазмы вакуумной дуги.
-
Модернизация на основании проведенных исследований широ-коапертурных источников ионов металлов на основе вакуумного дугового разряда.
Научная новизна работы заключается в том, что:
-
Показано, что при использовании вспомогательного разряда в скрещенных ЕхВ полях типа Пеннинга для инициирования вакуумной дуги переход в область значений сильных магнитных полей приводит к снижению рабочего давления вспомогательного разряда до уровня Ю-3 Па и обеспечивает стабильное инициирование вакуумной дуги с ресурсом более 107 импульсов.
-
На основании исследований параметров и ионно-эмиссионных свойств плазмы вакуумной дуги показано, что созданное в катодной области разряда сильное магнитное поле величиной индукции порядка ] Тл обеспечивает значительное увеличение напряжения горения, приводя к возрастанию средней зарядности ионов плазмы.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных методик, сопоставлением результатов экспериментов и численных оценок, а также сравнением с результатами других исследователей, как в нашей стране, так и за рубежом, практической реализацией научных положений и выводов при создании и модернизации ряда источников ионов.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований проведена модернизация ряда источников ионов, обеспечившая существенное улучшение их рабочих характеристик и эксплуатационных параметров, - источника "Титан", разработанного в ИСЭ СО РАН и поставленного в Технологический университет Гонг-Донг (Гуанчжоу, Китай); источника ионов Mevva-V, Национальной лаборатории им. Лоуренса (Беркли, США); источника Mewa-IIA Института ядерной физики низких энергий при Пекинском педагогическом университете (Пекин, Китай); источника Mevva-IV Ускорительного центра GSI (Дармштадт, Германия).
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. При использовании для инициирования катодных пятен вакуум
ной дуги вспомогательного газового разряда в скрещенных ЕхВ полях
типа Пеннинга, сильное магнитное поле (уровня 1 Тл) обеспечивает
понижение предельного давления остаточного газа, при котором
возможно стабильное зажигание вакуумного дугового разряда, до вели
чины З'Ю'3 Па, при этом ресурс системы инициирования составляет
более, чем 107 импульсов.
2. В сильном магнитном поле напряжение горения вакуумного
дугового разряда возрастает в 3-5 раз, достигая значений для катодов из А1 и Mg - 80-100 В, а для катодов из более тяжелых металлов (Та, W) -120-140 В, приводя к повышению средней зарядности ионов металла в 1,3-2 раза.
-
Сильное магнитное поле, локализованное в катодной области разрядной системы вакуумных дуговых источников ионов, обеспечивает, наряду с увеличением зарядности, повышение в 3-5 раз тока эмиссии ионов. Сочетание такого поля с сеточной стабилизацией эмиссионной поверхности плазмы приводит к снижению неоднородности распределения плотности ионного тока по сечению пучка в 2 раза, достигая 15-20 %, а в случае использования сетки с переменной прозрачностью неоднородность снижается до 10 %, при этом уменьшение ионного тока в результате потерь ионов на эмиссионной сетке компенсируется за счет повышения величины магнитного поля.
-
Созданные на основе вакуумного дугового разряда в сильном магнитном поле различные модификации источника ионов металла позволяют получать широкоапертурные (70-250 см2) цилиндрические и ленточные ионные пучки с длительностью от сотен микросекунд до непрерывного режима, током ионов от 1 А (400 мкс) до 70 мА (непрерывный режим) при ускоряющем напряжении 10- 50 кВ, и отличаются большей величиной средней зарядности, более высокой эффективностью извлечения ионов и ресурсом разрядной системы, ограниченным только эрозией материала катода.
Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на XV и XVII Международных симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Дармштадт, Германия, 1992; Беркли, США, 1996), V-VII Международных конференциях по ионным источникам (Пекин, Китай, 1993; Вистлер, Канада, 1995; Таормина, Италия, 1997), XXII Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Хобокен, США, 1995), I Всесоюзном совещании по плазменной эмиссионной электронике (Улан-Удэ, 1991), IX Симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург, 1992), VII Совещании по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (С-Петербург, 1992), II-IV конференциях по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Свердловск, 1991; Томск, 1994; Томск, 1996).
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 25 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; общий объем диссертации: 124 страницы машинописного текста, 62 рисунка; список цитируемой литературы включает 123 наименования.
