WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 2 04;12 Особенности функционирования плазменного катода с сеточной стабилизацией в двухступенчатом ионном источнике © Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: gavrilov@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 29 апреля 2005 г.) Исследованы характеристики разряда и параметры катодной плазмы в двухступенчатом ионном источнике с сетчатым плазменным катодом и магнитной ловушкой в анодной области системы. Показано, что повышение давления газа и обусловленное этим увеличение обратного ионного тока в биполярном диоде между катодной и анодной плазмами приводит к росту потенциала катодной плазмы и переходу катода в режим эмиссии электронов с открытой плазменной границы. Дано объяснение зависимости тока ионов, извлекаемых из анодной плазмы, от площади выходной апертуры полого катода и размера ячеек сетки плазменного катода; определены условия, обеспечивающие максимальный ток ионной эмиссии анодной плазмы. Зондовым методом измерена разность потенциалов на биполярном диоде, показано, что при достижении критических давлений газа, зависящих от размера ячейки сетки, разряд переходит в контрагированный режим горения, при котором ток ионов, извлекаемых из анодной плазмы, уменьшается в несколько раз.

PACS: 41.75.-i Электродная система двухступенчатого ионного ис- приводит к изменению высоты потенциального барьера точника содержит катодную ступень, обеспечивающую слоя и, соответственно, величины тока электронной формирование плазменного катода, и анодную ступень, эмиссии. В работах [5,6], посвященных исследованию в которой создается плазменный эмиттер ионов [1]. свойств плазменного катода с сеточной стабилизацией, Если ступени разделить мелкоструктурной металличе- проанализировано влияние на эмиссию катода параметров разряда и поля в ускоряющем промежутке и ской сеткой, то с анодной стороны сетки формируется показано, что изменение соотношения между толщиной слой пространственного заряда, падение напряжения на прианодного слоя пространственного заряда у сетки и котором можно регулировать в широких пределах [2].

Электрическое поле слоя обеспечивает извлечение и по- размером ячейки сетки позволяет реализовать как эмиссию электронов через потенциальный барьер слоя, так следующее ускорение электронов катодной плазмы. Для и высокоэффективную эмиссию с открытой плазменной эффективной генерации ионов величина напряжения на поверхности. Обратный ионный поток в этих работах не слое обычно устанавливается близкой к максимуму сеучитывался, однако, поскольку величина и знак анодного чения ионизации газа электронным ударом, а энергетипадения потенциала в разряде определяются условияческая релаксация быстрых электронов обеспечивается ми генерации и исчезновения положительных ионов в с помощью различных систем их удержания в анодной анодной области разряда [7], можно предположить, что в плазме, например, периферийного магнитного поля [3].

характерных для ионного источника условиях, обеспечиВ таких условиях возникает значительный обратный ток вающих максимальную степень использования энергии ионов из анодной плазмы, влияющий на распределение быстрых электронов для ионизации газа, возникновение потенциала, электрического поля и пространственного интенсивного обратного потока ионов способно оказызаряда в биполярном диоде между плазмами, а также вать существенное влияние на эмиссию плазменного изменяющий параметры катодной плазмы.

катода.

При анализе влияния ионизации газа электронным В работе исследована взаимосвязь процессов в капучком и обратного ионного потока на эмиссию плазтодной и анодной плазмах двухступенчатого ионного менного катода в электронных источниках по аналоисточника, изучено влияние обратного ионного потока гии с электронной эмиссией твердых тел используется на эмиссию плазменного катода и определены условия понятие ионно-электронной эмиссии плазмы [4]. Избыустойчивой и эффективной работы ионного источника в точный положительный заряд, создаваемый обратным широком диапазоне давлений газа.

ионным потоком, приводит к повышению потенциала и концентрации эмитирующей плазмы, причем наиболее значительное увеличение плотности плазмы и тока Эксперимент эмиссии электронов достигается в условиях эффективной резонансной перезарядки ионов на атомах газа. Схема ионного источника с двухступенчатой элекПри эмиссии электронов через пристеночный слой про- тродной системой, конструкция которого подробно опистранственного заряда изменение потенциала плазмы сана в [8], представлена на рис. 1. С помощью тлеющего 58 Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких и обеспечивающий стабилизацию тока I1 в цепи катода первой ступени, и источник стабилизированного напряжения питания второй ступени U2, подключенный между сеткой 1 и анодом 3. Величина тока Iизменялась в пределах 0.2–0.6 A, напряжение второй ступени U2 варьировалось в пределах 50–150 V. Для измерения параметров плазмы использовались собирающие ленгмюровские одиночные и двойные зонды и многосеточный электростатический энергоанализатор с тормозящим полем.

Характер зависимостей ионного тока на коллектор Ic от давления (рис. 2) определяется, главным образом, размером ячейки сетки. При использовании крупной сетки с шагом ячейки 1.2 mm ионный ток быстро нарастает с давлением, достигает максимальных значений при 0.05 Pa, а затем резко уменьшается. При использовании мелкоструктурной сетки (0.6 mm) ионный ток растет во всем диапазоне давлений, причем при больших значениях U2 (150 V) ионный ток превышает значения тока в максимуме зависимостей для крупной сетки.

Скорость роста тока Ic увеличивается при повышении Рис. 1. Схема ионного источника. 1 —сетка, 2 —полный напряжения на второй ступени и величины тока разряда.

катод, 3 —анод, 4 —экран, 5 — магниты, 6 — коллекторная Суммарный ток на сетку Ig (рис. 3) с ростом давления пластина, 7 — поджигающий электрод.

снижается со скоростью, которая значительно превышает скорость увеличения ионного тока Is на экран 4. На рис. 4 приведены зависимости отношения тока электроразряда с полым катодом в области сетки 1 формируется нов, извлекаемых из катодной плазмы Ie, к электронной плазменный эмиттер электронов, а в свободной от составляющей тока полого катода = Ie/I1(1 - ) от магнитного поля области анодной ступени источника давления газа, где — коэффициент ионно-электронной в результате ионизации газа ускоренными в биполярэмиссии материала катода, который при расчетах был ном диоде электронами создается однородная плазма.

принят равным 0.1. Ток электронной эмиссии опредеПлетеная сетка 1 из нержавеющей стали с размером лялся как разность между величиной I1(1 - ) и током ячеек 0.6 0.6 или 1.2 1.2 mm и геометрической пров цепи сетки за вычетом ионной составляющей, которая зрачностью около 65% устанавливалась между полым катодом 2 и полым анодом 3 второй ступени источника.

Для измерения результирующего тока заряженных частиц Ig, поступающих на сетку из катодной и анодной плазм, держатель сетки со стороны анода был закрыт экраном 4 с отверстием диаметром 20 mm, равным диаметру выходной апертуры полого катода. Измерения тока Is в цепи экрана, имеющего одинаковый с сеткой потенциал, использовались для оценки плотности ионного тока из анодной плазмы. Линейное многополюсное магнитное поле у поверхности анода 3 создавалось постоянными магнитами 5 из самарий-кобальтого сплава.

Газ (аргон) подавался в катодную полость. Давление газа, измерявшееся в вакуумной камере, регулировалось в пределах 0.02–0.1 Pa. Согласно расчетам, среднее давление в анодной ступени было примерно вдвое выше, а давление в катодной ступени в 25 раз превышало измеряемое давление, т. е. составляло 0.5–2.5 Pa. Ток Ic ионов, извлекаемых из анодной плазмы, измерялся в цепи коллекторной пластины 6, установленной взамен экранного электрода ионной оптики и имеющей одинаковый потенциал с сеткой 1.

Рис. 2. Зависимости ионного тока на коллектор от давления Для поддержания газового разряда использовались газа. Шаг ячейки сетки: 1–3 — 1.2; 4–6 — 0.6 mm. Ток два источника электрического питания: источник тока, разряда I1: 1,4 —0.2; 2,5 —0.4; 3,6 — 0.6 A. Напряжение подключенный между полым катодом 2 и сеткой 1 второй ступени U2 = 150 V.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Особенности функционирования плазменного катода с сеточной стабилизацией в двухступенчатом... величина 1 достигается при более низких давлениях 0.05 Pa, при этом ток в цепи сетки также меняет знак.

На рис. 5 приведены результаты измерений разности потенциалов, при которой обращается в нуль ток в цепи зондов, один из которых располагается в катодной, а другой — в анодной плазме. Как известно [9], при использовании двойного зонда разность потенциалов между его электродами равна разности потенциалов в плазме только при условии полной идентичности элекРис. 3. Зависимость тока в цепи сетки Ig (1–3) итока на экран Is (4–6) от давления газа. Ток разряда I1: 1,4 —0.2; 2,5 — 0.4; 3,6 — 0.6 A. Напряжение второй ступени U2 = 150 V. Шаг ячейки сетки 0.6 mm.

Рис. 5. Зависимость разности потенциалов между электродами двойного зонда от давления газа. Шаг ячейки сетки: 1–3 — 1.2; 4–6 — 0.6 mm. Ток разряда I1: 1,4 —0.2; 2,5 —0.4; 3,6 — 0.6 A. Напряжение второй ступени U2 = 150 V.

Рис. 4. Зависимость отношения тока электронов, извлекаемых из плазмы к электронной составляющей тока полого катода от давления газа. Ток разряда I1: 1 — 0.2; 2 —0.4; 3 —0.6 A.

Напряжение второй ступени U2 = 150 V. Шаг ячейки сетки 0.6 mm.

рассчитывалась из плотности ионного тока на экран 4.

Как следует из рис. 4, величина, которая определяет эффективность извлечения электронов из катодной плазмы, с ростом давления газа существенно возрастает Рис. 6. Зависимость потенциала катодной плазмы от давления и приближается к 1, причем приращение величины газа. Ток разряда I1: 1,4 — 0.2; 2 — 0.4; 3 — 0.6 A.

тем больше, чем выше ток разряда и напряжение второй Напряжение второй ступени U2: 1–3 — 150; 4 — 0 V. Шаг ступени U2. В системе с крупной сеткой максимальная ячейки сетки 0.6 mm.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 60 Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких тродов и однородности плазмы. Для экранировки элек- В результате реализуется режим эмиссии плазменнотродов зонда, изготовленных из вольфрамовой проволо- го катода с предварительным ускорением электронов ки диаметром 0.3 и длиной 5 mm, от потоков быстрых в положительном анодном падении потенциала, при заряженных частиц эти электроды помещались внутри котором эмиссионный ток ограничен геометрической цилиндрических экранов диаметром 10 mm. При исполь- прозрачностью сетки. Рост давления p и повышение напряжения U2 приводят к увеличению ионного тока зовании мелкоструктурной сетки измеряемая разность в биполярном диоде (рис. 3), а также к повышению потенциалов между зондами примерно соответствует потенциала катодной плазмы и смене знака [15]. При напряжению второй ступени, для крупной сетки при положительном потенциале между плазмой и эледавлениях, соответствующих максимуму ионного тока ментами сетки возникает потенциальный барьер, прена рис. 2, разность потенциалов между зонами резко пятствующий уходу электронов на анод первой ступени.

уменьшается до 25–30 V.

В зависимости от соотношения размеров ячейки сетки и Результаты измерения потенциала катодной плазмы в толщины слоя отрицательного анодного падения в этом системе с мелкой сеткой приведены на рис. 6. С увеличеслучае может быть реализован режим эмиссии электронием тока разряда I1, напряжения U2 и давления газа отнов через барьер или с открытой плазменной поверхнорицательный потенциал катодной плазмы уменьшается сти в центральной части ячеек [5,6]. В последнем случае и меняет свой знак на положительный. При отсутствии эффективность извлечения электронов приближается к разряда во второй ступени (U2 = 0) отрицательный величине 1 (рис. 4). Следует отметить, что на рис. потенциал катодной плазмы с ростом давления уменьприведены только значения потенциала, определяемые шается всего на несколько вольт (см. рис. 6, кривая 4).

по точке перегиба зондовых характеристик для системы с мелкоструктурной сеткой. Значительная трансформаОбсуждение результатов ция зондовых характеристик не позволила получить надежные данные о зависимостях потенциала катодной В области низких давлений ионизация газа быстрыми плазмы вблизи критического значения давления в систеэлектронами, удерживаемыми периферийным магнитмах с крупной сеткой, однако в экспериментах [15] были ным полем, описывается рассмотренной в [10–12] мополучены косвенные доказательства роста потенциала делью, из которой следует, что отношение тока быстрых катодной плазмы относительно сетки до 70–100 V.

электронов к току ионов меняется обратно пропорциоПоскольку высота потенциального барьера в плосконально давлению газа, времени удержания электронов и сти сетки определяется не только потенциалом катодной усредненной величине произведения сечения ионизации плазмы, но и напряженностью поля в биполярном диона скорость электронов. Наблюдаемый в экспериментах де, эффективность извлечения электронов из катодной нелинейный характер зависимостей ионного тока от плазмы должна повышаться с ростом тока разряда давления и определяющее влияние размера ячейки сетки и давления газа в результате увеличения обратного на ход этих зависимостей могут быть обусловлены ионного тока и соответствующего сокращения длины особенностями эмиссии плазменного катода.

ускоряющего промежутка в биполярном диоде.

Ранее в экспериментах [13] наблюдалось повышение Чем больше ячейка сетки, тем при более низких эффективности извлечения ионов из анодной плазмы давлениях (при прочих равных условиях) достигается при увеличении диаметра сетчатого плазменного катода эффективность извлечения электронов 1. Дальнейс 5 до 20 mm. Зондовые измерения показали, что такое шее увеличение давления приводит к резкому падению увеличение размера сетки сопровождается снижением ионного тока на коллектор. Величина тока разряда и положительного анодного падения потенциала у сетки, напряжения на биполярном диоде оказывает слабое влиявляющейся анодом тлеющего разряда с полым катодом.

яние на величину этого критического давления (рис. 2).

Согласно [14], для такого типа разряда с электростаИз характеристик двойного зонда (рис. 5) следует, что тическим удержанием быстрых электронов существует напряжение между катодной и анодной плазмами при оптимальная величина отношения площадей анода и этом резко уменьшается, биполярный диод разрушается катода Sa/Sc (Mr /me)1/2, при которой обеспечивается и разряд переходит в визуально наблюдаемый контрагикак невысокая скорость потерь быстрых электронов на рованный режим с поперечным размером столба разряда аноде, так и замыкание тока плазменных электронов в сужении порядка шага ячейки сетки и падением напряна анод без формирования области положительного жения на двойном слое перед сужением около 25-30 V.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.