Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности генерации плазмы в двухступенчатых газоразрядных системах 10
1.1. Генерация плазмы в двухступенчатых газоразрядных системах 10
1.2. Применение многополюсных магнитных систем в источниках ионов 21
1.3. Свойства газоразрядного плазменного катода с сеточной стабилизацией 36
1.4. Выводы и постановка задач исследований 46
2. Генерация плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с многополюсным магнитным полем в области анода 48
2.1. Принцип работы и конструкция газоразрядной системы 48
2.2. Вольтамперные характеристики разряда с полым катодом 52
2.3. Параметры и ионно-эмиссионные свойства анодной плазмы 55
2.3.1. Параметры анодной плазмы 55
2.3.2. Эмиссионные свойства анодной плазмы 59
2.4. Особенности работы плазменного катода в двухступенчатой газоразрядной системе 65
2.4.1. Потенциал катодной плазмы и режимы эмиссии плазменного катода. 65
2.4.2. Устойчивость биполярного диода между плазмой первой и второй ступени 75
2.4.3. Влияние площади плазменного катода на эмиссионные и энергетические характеристики газоразрядной системы 86
3. Формирование пучка в ионно-оптических системах с протяжённым ионным слоем между плазмой и экранным электродом 95
3.1. Конструкция ионно-оптической системы 99
3.2. Угловая расходимость пучка ионов 102
3.2.1. Зависимость угла расходимости от первеанса 102
3.2.2. Зависимость оптимального значения первеанса от напряжения на ионном слое 106
3.2.3. Влияние напряжения на ионном слое на эффективность извлечения ионов из плазмы и минимальный угол расходимости пучка 108
3.2.4. Влияние давления газа на эффективность извлечения ионов 116
3.3. Экспериментальное исследование процессов в области распространения ионного пучка 121
3.3.1. Схема эксперимента 121
3.3.2. Баланс токов на электроды модифицированного цилиндра Фарадея 127
3.3.3. Результаты экспериментов с модифицированным цилиндром Фарадея 130
4. Источник широких пучков ионов газов с сетчатым плазменным катодом и магнитным мультиполем в области анода 138
4.1. Конструкция ионного источника 138
4.2. Рабочие характеристики источника 145
Заключение 150
- Применение многополюсных магнитных систем в источниках ионов
- Выводы и постановка задач исследований
- Потенциал катодной плазмы и режимы эмиссии плазменного катода.
- Угловая расходимость пучка ионов
Введение к работе
Разработка плазменно-эмиссионных устройств подразумевает поиск. наиболее эффективных способов генерации первичных электронов и формирования плазмы с требуемой концентрацией, зарядовым и массовым составом ионов, а также площадью эмиссионной поверхности и распределением плотности эмиссионного тока в характерных для работы устройства условиях.
Требования, предъявляемые к электронному эмиттеру и генератору плазмы в рамках конкретного технологического применения, накладывают ограничения на возможность использования тех или иных разрядных устройств и диапазон изменения их рабочих параметров. Преодолеть эти трудности и существенно расширить диапазон рабочих параметров ионных источников позволило использование двухступенчатых разрядных систем. В устройствах на основе двухступенчатого разряда первая ступень является плазменным катодом, во второй ступени создаются условия для наиболее полной энергетической релаксации инжектированных электронов и формирования ионного эмиттера. Оптимизация условий в каждой из ступени позволяет не только сформировать электронный и ионный эмиттер с требуемыми характеристиками, но и понизить рабочее давление, напряжение горения разряда, что способствует увеличению газовой экономности и энергетической эффективности ионного источника. Кроме того, образование первичных электронов, сопровождающееся распылением и испарением материала катода в результате ионной бомбардировки и нагрева, происходит в первой ступени, что обеспечивает значительное снижение примесей ионов металла в пучке.
Важным шагом в развитии двухступенчатых систем было создание источников с сетчатым плазменным катодом, использование которого позволяет независимо изменять ток эмиссии и энергию быстрых электронов и открывает дополнительную возможность по управлению плотностью плазмы, зарядовым и массовым составом ионов. Для дальнейшего улучшения
5 характеристик двухступенчатых источников ионов с сетчатым плазменным катодом целесообразно использовать электростатические и магнитные ловушки во второй ступени газоразрядной системы, что обеспечит эффективную энергетическую релаксацию электронов и генерации плотной плазмы. При этом важно, чтобы с использованием системы удержания электронов обеспечивалось извлечение значительной доли генерируемых ионов и равномерное распределение плотности тока эмиссии ионов. Указанные требования не допускают возможность эксплуатации ряда известных систем удержания электронов в источнике ионных пучков большого сечения, но могут быть выполнены при использовании у поверхности полого анода периферийного магнитного поля, создаваемого многополюсной магнитной системой.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что тематика диссертационной работы, направленная на исследование генерации плазмы и формирования пучка ионов в двухступенчатом ионном источнике с сетчатым плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов, представляется актуальной.
Цель работы заключалась в исследовании генерации плазмы и формирования пучка в двухступенчатом ионном источнике с- сетчатым плазменным катодом и периферийным магнитным полем в области анода:
Научная новизна работы заключается в том, что:
Разработана двухступенчатая газоразрядная система, включающая в себя электронный эмиттер на основе тлеющего разряда с полым катодом и многополюсную магнитную систему удержания быстрых электронов в анодной ступени.
Определены условия, при которых обеспечивается устойчивая работа двухступенчатого газоразрядного устройства с сетчатым плазменным катодом и достигается наибольшая эффективность генерации ионов.
Показано, что в ионно-оптической системе с протяжённым ' слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом независимое управление напряжением на слое в характерном для двухступенчатого источника диапазоне 50 - 200 В и током пучка позволяет уменьшить угловую расходимость пучка при постоянном значении первеанса и повысить эффективность извлечения ионов из плазмы за счёт оптимизации положения и формы эмитирующей поверхности.
4. Предложена методика, основанная на использовании неэквипотенциального цилиндра Фарадея с изменяемой полярностью потенциала стенок для исследования влияния процессов в области распространения пучка и на поверхности электродов на результаты электрических измерений тока в цепи коллектора ионов и ускоряющего электрода ионно-оптической системы.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что:
1. Результаты исследований генерации плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе, режимов эмиссии сетчатого плазменного катода при наличии интенсивного обратного потока ионов, формирования пучка ионно- оптической системой с протяженным слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом открывают возможность существенного улучшения характеристик двухступенчатых ионных источников с сетчатым плазменным катодом.
2. С помощью предложенной в работе методики на основе модифицированного цилиндра Фарадея может быть оценен вклад вторичных электронов, ионов перезарядки и ионов, образованных в области распространения пучка, в токи, измеряемые в цепи коллектора пучка и ускоряющего электрода, а также в широком диапазоне энергий определены значения коэффициента ионно-электронной эмиссии коллектора и сечения резонансной перезарядки ионов пучка.
3. На основании проведённых исследований создан двухступенчатый источник, генерирующий пучки ионов газа с площадью поперечного сечения 50 см и током до 420 мА при рекордно высоком для источников на основе тлеющего разряда значении энергетической эффективности до 0,5 А/кВт. Устройство отвечает современному уровню требований, предъявляемых к
7 источникам газовых ионов, что обеспечивает возможность его практического применения в ионно-лучевых технологиях нанесения покрытий.
Работа была выполнена в рамках Федеральной целевой научно-. технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» по контракту с Министерством промышленности, науки и технологии РФ № 40.030.11.1126.
Диссертационная работа состоит из четырёх глав.
В первой главе рассмотрены особенности генерации плазмы в двухступенчатых газоразрядных системах и устройствах с многополюсными магнитными системами удержания быстрых электронов, обоснована целесообразность совместного использования электронного эмиттера на основе тлеющего разряда с полым катодом в первой ступени и полого анода с периферийным магнитным полем во второй ступени, сделан вывод о необходимости исследования условий устойчивой работы и режимов эмиссии сетчатого плазменного катода, ионно-эмиссионных свойств анодной плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе.
Вторая глава посвящена исследованиям генерации плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с многополюсным магнитным полем в области анода. В главе представлена конструкция экспериментального макета, определены условия, при которых происходит переход сетчатого плазменного катода в режим эмиссии с открытой плазменной поверхности при наличии интенсивного обратного потока ионов, и условия, при которых нарушается устойчивость биполярного диода между катодной и анодной плазмой.
В третьей главе приведены результаты экспериментов по исследованию формирования пучка газовых ионов ионно-оптической системой с протяжённым слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом; предложена основанная на использовании неэквипотенциального цилиндра Фарадея методика исследования процессов в области дрейфа пучка и их влияния на электрические измерения тока в цепи коллектора пучка и ускоряющего электрода.
Четвёртая глава посвящена описанию конструкции двухступенчатого ионного источника с сетчатым плазменным катодом, и многополюсной магнитной системой в области анода, созданного на основе проведённых исследований, и его рабочих характеристик.
Полученные результаты позволяют сформулировать следующие научные положения:
1. Использование в источнике газовых ионов двухступенчатой газоразрядной системы с сетчатым плазменным катодом на основе тлеющего разряда и многополюсным магнитным полем в области анода второй ступени обеспечивает высокую эффективность (0,5 А/кВт) генерации широких ионных пучков с равномерным (степень неоднородности не более 10%) распределением плотности тока (до 8 мА/см ) по сечению пучка.
2. Вклад в увеличение частоты ионизации и тока ионов из плазмы анодной ступени с магнитным мультиполем с ростом давления газа обусловлен повышением тока эмиссии электронов в результате увеличения плотности обратного потока ионов, изменения величины и знака анодного падения потенциала в тлеющем разряде с полым катодом и перехода плазменного катода в режим эмиссии электронов с открытой плазменной границы.
3. В двухступенчатой газоразрядной системе увеличение площади сетчатого плазменного катода и соответствующее повышение потенциала катодной плазмы обеспечивает снижение давления газа, при котором происходит переход в высокоэффективный режим эмиссии электронов, а уменьшение плотности обратного ионного потока способствует повышению величины предельного давления, ограничивающего диапазон устойчивости биполярного диода между плазмой первой и второй ступени.
4. Использование неэквипотенциального цилиндра Фарадея с изменяемой полярностью потенциала стенок позволяет определить в широком диапазоне значений энергии ускоренных ионов и давления газа значение коэффициента ионно-электронной эмиссии материала коллектора ионного пучка и сечения перезарядки ускоренных ионов, а также оценить вклад процессов ионизации
9 газа быстрыми вторичными электронами и ускоренными ионами и перезарядки ионов пучка в частоту генерации медленных ионов в области дрейфа пучка.
Применение многополюсных магнитных систем в источниках ионов
Многополюсная магнитная система, используемая для удержания быстрых электронов, представляет собой набор магнитов, устанавливаемых у поверхности электродов, на которые возможен уход электронов, при этом соседние магниты обращены в сторону экранируемой поверхности противоположными полюсами. Многополюсная система создаёт у поверхности электрода существенно неоднородное магнитное поле. Нормальные относительно поверхности электрода составляющие поля соседних магнитов компенсируют друг друга между полюсами. В результате линии магнитного поля между полюсами будут параллельны экранируемой поверхности, а вблизи магнитных полюсов образуют конфигурацию, напоминающую по форме клин. В зависимости от энергии электронов, движущихся по направлению к плоскости, в которой располагаются полюса магнитов, они будут отражаться магнитным полем в области сгущения силовых линий, либо захватываться полем и уходить на экранируемую поверхность вдоль линий возврата поля. Таким образом, при использовании многополюсной магнитной системы площадь потерь быстрых электронов значительно сокращается. Поскольку магнитное поле в плазме оказывает влияние на её параметры и приводит к росту степени неоднородности плазмы, при выборе конфигурации многополюсной системы необходимо определить размеры области, за пределами которой влияние магнитного поля несущественно. Условием, при котором влияние магнитного поля в плазме можно считать незначительным, определяется следующим соотношением плотности магнитной энергии и. давлением плазмы [26]: где п - концентрация плазмы, Те - электронная температура. Напряжённость магнитного поля Вх при удалении от экранируемой поверхности на расстояние х описывается законом: где В0 - напряжённость магнитного поля у полюсов, а - расстояние между магнитными полюсами. Согласно расчёту, величина напряженности магнитного поля, не оказывающего существенного влияние на распределение зарядов в плазме с концентрацией 1012 см3 и электронной температурой 5 эВ, должно составлять не более 1,4 10" Тл. Из выражения (1.7) видно, что при . удалении от магнитных полюсов на расстояние, равное па, напряжённость поля спадает в е раз. Если напряжённость поля Во составляет 0,25 Тл, можно считать, что на расстоянии, равном удвоенному расстоянию между магнитными полюсами, поле не возмущает плазму.
Принцип удержания первичных электронов магнитным мультиполем был реализован в работе [36], в которой было показано, что многополюсные магнитные системы позволяют получать однородную плазму в разрядной камере большого объёма (1000 см). Исследования удержания плазмы магнитным полем были проведены также с использованием экспериментальной . установки, содержащей две камеры, разделённые магнитным фильтром [37], представляющим собой набор медных трубок, установленных параллельно друг другу (рис. 1.4). Электрический ток в соседних трубках имел противоположное направление, в результате чего образовывалось многополюсное магнитное поле остроугольной формы. Максимальная величина магнитного поля принимала значения 560 - 660 Гс при токе 800 А. Первичные электроны эмитировались-нитями накаливания, установленными в одной из камер. Через магнитный . фильтр электроны могли проникать во вторую камеру - мишень. На внешней . поверхности камер устанавливались постоянные магниты, создающие многополюсное поле с напряжённостью у поверхности полюсов 2 кГс. Зондовые измерения показали, что средняя длина пробега электронов возросла приблизительно в 20 раз по сравнению с режимами, в которых магниты не использовались, при этом плотность плазмы возросла примерно в 65 раз, а время жизни первичных электронов в 3 раза. Эксперименты с разделением камер магнитным фильтром позволили показать, что с ростом напряжённости магнитного поля (величины тока, пропускаемого по. трубкам фильтра) плотность плазмы со стороны камеры мишени уменьшается на тех участках, где напряжённость поля максимальная. При повышенных значениях напряжённости магнитного поля уход электронов и ионов через экранирующее поле возможен только вдоль линий возврата, о чём свидетельствуют измерения профилей распределения плотности тока в камере мишени (рис. 1.5). Профили выглядят, как ряд остроконечных пиков, каждый из пиков в пространстве у магнитного фильтра соответствует области с линиями возврата магнитного поля. Вместе с увеличением напряжённости магнитного поля фильтра возрастает и концентрация плазмы в первой камере, в то время, как концентрация плазмы и первичных электронов во второй камере снижается более чем на 50% по сравнению с режимом, когда ток через магнитный фильтр не протекает. Важный вывод, который позволили сделать эксперименты Леунга и др. [37], заключался в том, что площадь потерь плазменных электронов через многополюсное магнитное поле равна удвоенному произведению гибридного гиромагнитного радиуса на полную длину магнитных полюсов Ln: где ге и г І - ларморовский радиус электрона и иона, соответственно: В работе Холмса [38] была определена зависимость эффективной площади анода, на которую собираются первичные электроны, от их энергии. Площадь определялась методом сравнения электрического тока и тепловой мощности, выделяемой на большом зонде (площадь поверхности 5 см ), находящимся под анодным потенциалом. Площадь потерь электронов на анод составляет несколько десятков см2 при длине магнитных полюсов в 250 см.
При повышении напряжённости магнитного поля потенциал плазмы, генерируемой в камере с магнитным удержанием электронов, становится отрицательным относительно потенциала анода, что обеспечивает электростатическое удержание ионов. С ростом энергии первичных электронов потенциал плазмы возрастает, что связано с увеличением ионизационной способности электронов и возможностью совершать более одного ионизирующего столкновения. Однако, если при относительно низких значениях напряжённости поля у анода (Ва = 700 Гс) увеличение энергии электронов приводило к смене знака потенциала плазмы с отрицательного на положительный, то при повышенной напряжённости магнитного поля (Ва = 1400 Гс) потенциал плазмы сохраняет отрицательный знак в широком диапазоне изменения энергии. Ранее в исследованиях Лимпехера [36] также была показана возможность формирования в мультипольном устройстве плазмы с отрицательным потенциалом при пониженном давлении газа ( 10"5 -10"4 Торр). Этот эффект был объяснён низкой концентрацией ионов при постоянном токе эмиссии электронов и увеличенном времени их жизни в плазме при экранирования поверхности анода многополюсным магнитным полем. Таким образом, использование многополюсной магнитной системы удержания позволяет не только генерировать однородную плазму в большом объёме, но и реализовать электростатическое удержание ионов, что позволит повысить долю ионов, извлекаемых из плазмы. Для расчёта времени жизни первичных электронов в многополюсном, устройстве [37] были проведены измерения длины пробега электронов по методике, предложенной Лимпехером [36]. В плазму помещалась металлическая пластина площадью 100 см , потенциал пластины задавался на уровне -90 В относительно потенциала анода. Первичные электроны полностью отражались полем между пластиной и плазмой, и на пластину собирался только ионный ток. Уход части ионов на пластину сопровождался, изменением концентрации плазмы. По измеренным значениям концентрации ионов ПІ и её изменения после ввода собирающей пластины An, тока ионов на пластину 7/ определялась эффективная длина пробега электронов по формуле: где 1е — ток первичных электронов.
Выводы и постановка задач исследований
На основе вышеизложенного можно сделать следующие выводы и определить задачи исследований. Выводы: 1. Для обеспечения условий эффективной энергетической релаксации первичных электронов и увеличения энергетической эффективности во второй ступени двухступенчатого источника широких пучков ионов с сетчатым плазменным катодом целесообразно использовать полый анод с многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов. 2. В разрядном устройстве с внешней инжекцией электронов необходимо оптимизировать конфигурацию многополюсной магнитной системы для длительного удержания быстрых электронов и формирования однородного ионного эмиттера с требуемой площадью. 3. Для определения условий устойчивой работы сетчатого плазменного катода и реализации высокоэффективных режимов эмиссии необходимо учитывать влияние обратного ионного потока на параметры плазмы электронного эмиттера. Задачи исследований: 1. Разработка двухступенчатой газоразрядной системы на основе тлеющего разряда, сочетающей в себе сетчатый плазменный катод и многополюсную магнитную систему удержания быстрых электронов. 2. Исследование параметров катодной плазмы и режимов эмиссии сетчатого плазменного катода при наличии интенсивного обратного потока ионов. 3. Исследование параметров и ионно-эмиссионных свойств плазмы, генерируемой во второй ступени газоразрядной системы; определение условий, при которых достигается наибольшая энергетическая эффективность генерации ионов. 47 4. Изучение ионно-оптических свойств системы формирования пучка, влияния ионизации газа, резонансной перезарядки в области дрейфа пучка и ионно-электронной эмиссии с поверхности электродов на результаты электрических измерений тока пучка. На основе анализа существующих двухкаскадных ионных источников, проведённого в предыдущей главе, была выбрана конфигурация газоразрядной системы, которая легла в основу экспериментального макета. В данной главе представлены результаты исследований параметров плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов, рассмотрено взаимное влияние процессов в катодной и анодной ступенях, влияние обратного ионного потока на эмиссию сетчатого плазменного катода. Принцип работы газоразрядного устройства заключается в следующем. В первой ступени для создания электронного эмиттера используется тлеющий разряд с полым катодом.
Площадь выходной апертуры полого катода Sa должна иметь размеры, при которых длина траектории первичных электронов L (1.5) достаточно велика, чтобы обеспечить их эффективную энергетическую релаксацию (1.1) в широком диапазоне изменения напряжения горения разряда, определяющего энергию первичных электронов, и давления газа. Анодом первой ступени газоразрядной системы является мелкоструктурная металлическая сетка, устанавливаемая напротив выходной апертуры. В зависимости от режима эмиссии сетчатого плазменного катода величина эмиссионного тока по отношению к току разряда изменяется от значений, сопоставимых с геометрической прозрачностью сетки, до единицы. Использование сетки позволяет сформировать слой пространственного заряда, который обеспечит ускорение инжектируемых электронов, причём током эмиссии и напряжением на слое можно независимо управлять в широком диапазоне значений [35]. Инжектированные электроны ионизуют газ во второй ступени газоразрядной системы, причём наибольшая интенсивность ионизационных процессов при постоянном значении давления газа будет достигнута при условии, что электроны ускоряются до энергий, соответствующих максимуму произведения сечения ионизации электронным ударом на скорость электронов {сгре). Для того, чтобы сократить потери ионов на электродах второй ступени, используется полый анод, у поверхности которого многополюсной магнитной системой формируется периферийное магнитное поле, что обеспечивает сокращение площади потерь инжектированных электронов, их длительное удержание в камере ионного эмиттера и эффективную энергетическую релаксацию. Конструкция газоразрядной системы представлена на рис. 2.1. Полый катод 1 имеет форму цилиндра диаметром 130 мм. Диаметр выходной апертуры полого катода изменялся от 10 до 30 мм. Поддержание разряда первой ступени обеспечивает источник питания (ИПР1), для инициирования используется поджигающий электрод 2, установленный по оси полого катода. Ток, протекающий в цепи поджигающего электрода, ограничен резистором на уровне не более 10 % от тока разряда /. Величина тока разряда изменялась в пределах 0,2 - 1 А. Мелкоструктурная металлическая сетка 3 напротив выходной апертуры полого катода устанавливалась с помощью держателя 4. В экспериментах использовались сетки из нержавеющей стали с размерами ячеек 0,6x0,6, 1,2x1,2 и геометрической прозрачностью 66%. Сеточный узел устанавливается между кольцевыми изоляторами 5 и разделяет катодную и анодную ступени газоразрядной системы. Анодная камера 6 представляет собой цилиндр, соединённый со стороны сетки с коническим патрубком.
Использование конического патрубка в конструкции вызвано необходимостью сокращения площади потерь инжектированных электронов и снижения напряжённости магнитного поля в области эмиссии электронов из плазменного катода. С противоположной от сетки стороны устанавливался экранный электрод 7, либо неперфорированный коллектор, на который осуществлялся отбор ионов из анодной плазмы. Сетка и. экранный электрод находились под одним потенциалом, напряжение между сеткой и анодом С/? задавалось источником питания второй ступени (ИПР2) и изменялось в диапазоне 50 - 200 В. Многополюсная магнитная система, используемая для удержания инжектированных электронов в анодной камере, состоит из рядов постоянных магнитов 8. Сформировать магнитный мультиполь можно как с помощью постоянных магнитов, так и с помощью электромагнитов. Однако, для создания сильного магнитного поля электромагнитом, требуются значительные энергозатраты и введение в схему электропитания ионного источника дополнительных блоков. Современные постоянные магниты позволяют получать поля со значениями магнитной индукции до 0,5 Тл, их использование более выгодно для создания эффективных систем удержания электронов. Величина индукции магнитного поля на поверхности полюсов используемых в устройстве магнитов составляет 0,25 Т. Магниты устанавливались на внешней стороне полого анода в двенадцать рядов, как это показано на рис. 2.2. Соседние ряды обращены в сторону анода противоположными полюсами, в каждом отдельном ряду полюса магнитов совпадают. Такое расположение магнитов исключает образование зон с нулевой напряженность поля у поверхности электрода и обеспечивает экранирование максимальной площади. Согласно уравнениям (1.8, 1.9), для такой конфигурации многополюсной магнитной системы площадь потерь быстрых электронов равна 30-40 см2, что соответствует 10 - 15% от площади анода, при этом область, в которой влияние магнитного поля на параметры плазмы с концентрацией 1012 см"3 несущественно, имеет диаметр 80 мм. На поверхности полого катода также устанавливались магниты. В экспериментах по исследованию режимов эмиссии плазменного катода и генерации плазмы регистрировались токи электронов и ионов, поступающих на электроды газоразрядной системы. Ток в цепи сетки 1С, который представляет собой суперпозицию тока электронов, поступающих из катодной плазмы, и тока ионов из плазмы во второй ступени; ток ионов, извлекаемых из плазмы на экранный электрод 1Э, определялись по показаниям приборов, установленных в цепи питания (рис. 2.1). Для оценки тока ионов, поступающих из анодной плазмы в первую ступень, проводились измерения тока 1ЭС в цепи экрана 9, имеющего потенциал сетки.
Потенциал катодной плазмы и режимы эмиссии плазменного катода.
Исследования параметров плазмы в полом катоде показали, что потенциал плазмы при отключенной второй ступени газоразрядной системы отрицательный и принимает значения 10 - 12 В (рис. 2.13). С ростом давления газа в пределах (2,7 - 8) 10" Па и тока разряда 0,2 - 0,6 А потенциал возрастает не более, чем на 2 В. Возникновение положительного анодного падения потенциала является следствием повышенной концентрации электронов и их затруднённого отбора на анод. Эффект проявляет себя при давлениях газа 10" - 10" Торр [44] или при малой величине площади анода. Из выражения (1.25) следует, что потенциал плазмы положителен, если отношение площади анода Sa к площади катода SK больше величины, определяемой квадратным корнем из отношения массы электрона т к массе иона М [60]. В условиях эксперимента площадь анода, которая определяется площадью апертуры полого катода, была меньше оптимальной величины. Поскольку условия ухода электронов из плазмы были затруднены, увеличение давления газа и тока разряда не могли привести к смене знака потенциала плазмы. Равенство электронного и ионного токов на электроды в разряде с полым катодом может быть обеспечено образованием вблизи выходной апертуры двойного электрического слоя [13]. Из соотношения Ленгмюра (1.3), определяющего условия существования двойного электрического слоя, следует, что при затруднённом отборе электронов на анод, площадь двойного слоя должна превышать площадь выходной апертуры полого катода. Слой обладает сферической формой и его толщина составляет не менее дебаевской длины умноженной на корень из отношения масс -ІМІгп [11]. Электроны, эмитируемые через слой, фокусируются и ускоряются до скоростей, превосходящих тепловую скорость электронов в плазме. Таким образом, при выключенной второй ступени во всём рабочем . диапазоне изменения тока и давления газа реализуется режим эмиссии с предварительным ускорением в слое пространственного заряда у поверхности сетки. При этом эффективность извлечения электронов пропорциональна геометрической прозрачности сетки. Работа второй ступени газоразрядной системы оказывает более существенное влияние на потенциал плазмы электронного эмиттера, нежели изменение давления газа и тока разряда. С ростом напряжения между анодом и сеткой ІІ2 потенциал плазмы возрастает и, как видно из рис. 2.14, при повышенных давлениях газа становится положительным. Величина давления, при которой происходит смена знака потенциала плазмы, уменьшается с ростом тока разряда и напряжения на второй ступени ІІ2.
Увеличение давления газа в диапазоне 0,03 - 0,08 Па, напряжения U2 (рис. 2.9) и тока разряда (рис. 2.10) сопровождается ростом тока ионов, поступающих из анодной плазмы. В результате увеличения плотности ионного тока граница анодной плазмы перемещается в сторону сетки, и возрастает напряжённость поля ускоряющего электроны, эмитируемые плазменным катодом, [66], что способствует увеличению эмиссионного тока [58]. Кроме того, за счёт возникновения обратного ионного потока из анодной плазмы локально повышается концентрация ионов в полом катоде. Как было показано в работе [44], механизмом, обеспечивающим замедление ухода ионов из плазмы, является образование протяженной области без поля или со слабым полем, где скорость движения ионов значительно меньше, чем в окружающем пространстве. Для нейтрализации объёмного заряда обратного потока ионов концентрация электронов должна быть увеличена, что обеспечивается изменением распределения концентрации частиц и потенциала в плазме. Анализ прохождения тока в промежутке между плазмой и положительным электродом, проведенный Крейнделем и Никитинским [67], показал, что увеличение плотности ионного тока приводит к частичной компенсации пространственного заряда и увеличению плотности плазмы на границе слоя, в результате чего повышается ток эмиссии электронов. Увеличение эмиссионного тока зависит от коэффициента ионно-электронной эмиссии плазмы/е (1.27) и плотности тока ионов, поступающих в катодную плазму, у ,-: где jo - максимальная плотность тока, которая может быть пропущена вакуумным диодом в соответствии с законом Чайлда — Ленгмюра. Увеличение тока электронного эмиттера при поступлении в плазму ионов из ускоряющего промежутка наблюдалось в плазменных источниках электронов с извлечением из анодной и катодной области разряда [23]. С ростом давления газа и длины межэлектродного промежутка промежутка увеличивается интенсивность резонансной перезарядки ионов в плазме, при этом коэффициент ионно-электронной эмиссии плазмы возрастает. Величина коэффициента ионно-электронной эмиссии, рассчитанная из соотношения (1.26), для ионов с энергией, соответствующей, напряжению на биполярном диоде в двухступенчатой газоразрядной системе (100 - 200 эВ) при давлениях порядка 10" -10 Па, составляет 5-7. Очевидно, что при поддержании постоянным тока разряда, давления газа и, следовательно, плотности тока эмиссии электронов из плазмы ионно-электронная эмиссия будет сопровождаться сокращением толщины прианодного слоя.
В свою очередь, сокращение толщины слоя пространственного заряда у поверхности сетки способствует росту эффективности извлечения электронов (раздел 1.3). Особенностью работы электронного эмиттера на основе тлеющего разряда с полым катодом в двухступенчатой системе является то, что ионно-электронная эмиссия плазмы осуществляется под действием ионов, генерируемых в камере второй ступени. Ступени газоразрядной системы оказывают взаимное влияние друг на друга. Работа плазменного катода необходима для генерации во второй ступени газоразрядной системы плазмы, эмитирующей ионы, в тоже время ионная эмиссия приводит к изменению режимов эмиссии плазменного катода. Плотности обратного ионного потока при этом намного превышают плотности ионов, образуемых в ускоряющем промежутке и прианодном слое. Кроме того, давление газа в разрядных камерах на порядок превосходят давление в ускоряющем промежутке. Наглядно проследить изменения режимов эмиссии позволяют измерения тока, протекающего в цепи сетки (рис. 2.15). При низких давлениях газа ток на сетку электронный. С ростом давления до значений, соответствующих смене знака анодного падения (рис. 2.14), ток в цепи сетки слабо меняется. В режиме эмиссии через слой с положительным анодным падением потенциала отношение тока эмиссии плазменного катода к току разряда пропорционально геометрической прозрачности сетки и при постоянном токе разряда практически не меняется с ростом давления. Ионный ток при этом возрастает, о чём свидетельствуют измерения тока в цепи экрана, установленного у поверхности держателя сетки, (рис. 2.16), и уменьшение электронного тока на сетку обеспечивается ионами, поступающими из плазмы второй ступени. В диапазоне давлений, для которых характерна эмиссия электронов в режиме с отрицательным анодным падением потенциала, скорость роста тока на экран ниже скорости изменения тока, измеряемого в цепи сетки. Такой характер поведения зависимостей тока на сетку и на экран связан со снижением тока электронов, поступающих на проволочки сетки, и, соответственно, увеличением эффективности извлечения. Для определения эффективности извлечения электронов было использовано следующее соотношение: где 1е - ток эмиссии сетчатого плазменного катода, I - ток разряда; у - коэффициент ионно-электронной эмиссии материала катода, величина которого в расчётах принималась 0,1. Ток электронов на сетку определялся, как разница полного тока в цепи сетки и тока ионов, проникающих через апертуру в экране,
Угловая расходимость пучка ионов
Угол наклона траектории иона к оси симметрии ионного пучка на этапе первичной фокусировки зависит от формы плазменной поверхности (плазменная фокусировка) [2]. Положение и форма плазменного мениска определяется совокупным действием сил со стороны плазмы Fp и со стороны поля ускоряющего промежутка FE: 2 где/? - давление плазмы, Е - напряженность поля в ускоряющем промежутке, S - площадь плазменного мениска. Равновесное положение границы плазмы достигается при условии, что плазменная поверхность эквипотенциальна, и электрическое поле на ней отсутствует [83]. Выполнение этих условий возможно, если плотность тока, ограниченного пространственным зарядом, определяемая из закона Чайлда-Ленгмюра (3.1) равна плотности ионного тока насыщения (1.18). Рост тока эмиссии обеспечивается увеличением концентрации плазмы, при этом возрастает давление плазмы: где п, Т - концентрация и температура плазмы. Для того, чтобы компенсировать давление плазмы при нарастании тока эмиссии, электростатическая сила со стороны ускоряющего поля должна увеличиться, что обеспечивается повышением напряжённости поля. В результате, при постоянном ускоряющем напряжении и длине ускоряющего промежутка сократится расстояние между эмитирующей поверхностью и ускоряющим электродом. Таким образом, изменение величины первеанса, связывающего между собой ток пучка, ускоряющее напряжение, расстояние между электродами ионно-оптической системы и диаметр отверстий оптики, (3.2) приводит к изменению положения границы эмитирующей поверхности. Вместе с тем, изменится также её форма. Если эмитирующая поверхность является вогнутой, то с увеличением плотности плазмы плазменный мениск становится более плоским, радиус его кривизны увеличивается. При дальнейшем увеличении тока может возникнуть ситуация, когда форма эмитирующей поверхности станет выпуклой. Форма плазменного мениска оказывает значительное влияние на величину тока ионов, поступающих на электроды при прохождении через ионно-оптическую систему. Для эмиссии ионов с выпуклого плазменного мениска характерны повышенные потери ионов пучка на электродах оптики. Первичная фокусировка ионов в режиме эмиссии с вогнутой поверхности способствует снижению потерь ионного тока на электродах.
Очевидно, что для работы ионно-оптической системы в режимах с большой эффективностью извлечения ионов и повышения её ресурса, токи утечки на электроды должны быть минимальными. В промежутке между эмитирующей поверхностью и ускоряющим электродом поле является фокусирующим, а ионы движутся по сходящимся траекториям. Электростатическая линза в отверстии ускоряющего электрода, напротив, оказывает дефокусирующее действие, подобное действию вогнутой оптической линзы, в результате чего поток ионов начинает расходиться. Результирующее действие плазменной фокусировки и линзового эффекта отверстия ускоряющего электрода характеризуется зависимостью угла расходимости пучка ионов со от первеанса [76]: где Р - рабочий первеанс пучка нормализованный на одно отверстие, Р0 -максимальный первеанс плоского диода, который можно определить из соотношения [81]: Для аргона максимальная величина первеанса Р0 составляет 6,79 10" А/В Зависимость угла расходимости от первеанса показана на рис. 3.2. Минимальный угол расходимости пучка ионов составил 2,5. Из соотношения (3.4) следует, что пучок с нулевой расходимостью может быть получен при значениях рабочего первеанса, составляющих величину 0,47 Ро- Но, как показали эксперименты, проведённые с использованием ионно-оптических систем различных конфигураций [80 - 82], в условиях оптимальной фокусировки формируется пучок, угол расходимости которого отличен от ноля, а первеанс меньше расчётного значения. Для исследуемой ионно-оптической системы первеанс при минимальных углах расходимости равен (1,9 - 2,6) 10"9 А/В3/2, что составляет 0,29 - 0,38 от величины максимального первеанса. В области меньших значений первеанса наблюдается резкое увеличение угла расходимости до 15. Снижение первеанса может быть обеспеченр либо увеличением напряжённости поля в ускоряющем промежутке, либо увеличением тока пучка (3.2). Такое изменение рабочих параметров сопровождается увеличением расстояния между эмитирующей поверхностью и ускоряющим электродом. При этом, очевидно, что радиус кривизны эмитирующей поверхности уменьшается. Для режимов работы ионно-оптической системы в диапазоне значений первеанса, меньших оптимальной величины, первичная фокусировка приводит к тому, что траектории ионов начинают пересекаться. В результате, уменьшение первеанса, сопровождающееся уменьшением радиуса кривизны эмитирующей поверхности, приводит к росту угла расходимости. При увеличении первеанса вплоть до оптимальных значений изменение формы плазменной поверхности способствует сокращению угла расходимости пучка.
Дальнейшее увеличение первеанса и связанное с ним перемещение эмитирующей поверхности из оптимального положения ближе к ускоряющему электроду приводит к тому, Поле в ускоряющем промежутке влияет на положение эмитирующей поверхности в центральной части отверстия экранного электрода. Положение периферийной области поверхности плазмы задаёт слой пространственного заряда между экранным электродом и плазмой. Расчёты показали, что толщина слоя пространственного заряда, оцененная из закона Чайлда-Ленгмюра (3.1), при плотности тока 0,5 — 2,5 мА/см составляет 0,4 - 0,8 мм при падении напряжения на слое 50 В и 1 - 2 мм при падении напряжения 200 В. Размеры слоя сопоставимы с радиусом отверстий в экранном электроде и оказывают существенное влияние на форму плазменного мениска. На рис. 3.2, видно, что с ростом напряжения на слое уменьшается минимальный угол расходимости, а точка, соответствующая оптимальной фокусировке, смещается в область меньших значений первеанса. Согласно модели [78], зависимость фокусного расстояния от толщины слоя пространственного заряда /,- может быть представлена в виде: где иэ - напряжение на слое пространственного заряда у поверхности экранного электрода. Угол, на который отклоняется ион от начальной траектории после прохождения через отверстие в ускоряющем электроде, определяется отношением радиуса пучка в апертуре ускоряющего электрода гу к фокусному расстоянию/: Рост напряжения на слое приводит к увеличению его толщины, при этом возрастает радиус кривизны эмитирующей поверхности за счёт перемещения границы плазмы на периферии дальше от экранного электрода. В результате увеличивается фокусное расстояние. Согласно выражению (3.7), увеличение фокусного расстояния сопровождается уменьшением угла расходимости. Исходя из этих соображений, можно сделать вывод, что в режиме оптимальной фокусировки при постоянном токе эмиссии в системе с большим падением напряжения на слое пространственного заряда формируется пучок ионов с меньшим углом расходимости, а эмитирующая поверхность принимает форму, обеспечивающую минимальные углы расходимости, при меньших значениях первеанса. Модель, описываемая формулами (3.6), (3.7), построена в рамках линейной оптики и позволяет показать лишь качественную картину изменения оптимального первеанса в зависимости от толщины слоя пространственного заряда. Количественная оценка может быть проведена следующим образом. Предположим, что слой между плазмой и экранным электродом бесконечно тонкий. При заданном значении первеанса Р, ускоряющего напряжения Uy, тока пучка 1п и диаметра апертуры электрода d3 определим эффективную длину ускоряющего промежутка, используя определение для первеанса (3.2): При перемещении эмитирующей поверхности вглубь на расстояние, соответствующее протяжённости ионного слоя /э, возрастёт длина ускоряющего промежутка 1е
