WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 10 04;12 Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника ленточного электронного пучка © Ю.А. Бурачевский, В.А. Бурдовицин, А.С. Климов, Е.М. Окс, М.В. Федоров Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050 Томск, Россия e-mail: burdov@fet.tusur.ru (Поступило в Редакцию 27 февраля 2006 г.) Представлены результаты исследования распределения плотности плазмы в щелевидной апертуре протяженного полого катода прямоугольной формы, применяемого в источнике ленточного электронного пучка. Установлено, что при уменьшении ширины щели ниже некоторого порогового значения имеет место появление локального максимума, параметры которого определяются разрядным током. Указанный максимум является причиной неоднородности распределения плотности тока в пучке. Показано, что появление локального максимума связано с перекрытием ионных слоев в щелевидной апертуре полого катода.

PACS: 52.27.-h Введение ния и фиксации электродов. Высоту полости h в катоде можно было регулировать размещением вкладыша 5, Одним из способов генерации плазмы с развитой размеры апертуры катодной полости изменялись за счет поверхностью является ионизация газа с помощью элеквставок 6 с различной шириной щели. Разрядное Ud тронного пучка ленточной конфигурации [1]. Требуемое и ускоряющее Ua напряжения прикладывались к соотдля реализации этого способа давление газа (более 1 Pa) ветствующим электродам источника, как показано на затрудняет применение электронных источников с нарис. 1. Измерение параметров плазмы производилось каливаемым катодом. Альтернативой может быть исодиночным зондом 7, вводимым в катодную полость пользование плазменного источника, в частности, на и перемещаемым вдоль нее. При введении зондовых основе разряда с протяженным полым катодом [2]. При измерений сетка в аноде отсутствовала, и напряжение Ua этом, однако, возникает проблема достижения достаточна ускоряющий электрод 8 не подавалось. С целью но высокой (более 0.1 A/cm2) плотности тока в пучке, фиксирования свечения плазмы катодная апертура фопоскольку именно этот параметр ответствен в первую тографировалась со стороны эмиссионного окна. Элекочередь за свойства генерируемой плазмы. Экспериментронный источник размешался на вакуумной установке.

ты с источником цилиндрического пучка показали, что Для откачки вакуумной камеры использовался механироста плотности тока при сохранении эффективности ческий форвакуумный насос. Изменение давления газов извлечения можно достичь, уменьшая одновременно разв интервале 3-10 Pa обеспечивалось напуском воздуха.

меры эмиссионного окна в аноде и выходной апертуры катодной полости [3] вследствие увеличения отношения площади эмиссионного окна к площади области анода, на которую собирается электронный ток из катодной полости. Указанные обстоятельства вызвали предположение, что и в случае ленточного пучка роста плотности эмиссионного тока можно достичь аналогичным образом. Цель настоящей работы состояла в исследовании возможности повышения плотности эмиссионного тока в источнике ленточного электронного пучка за счет изменения электродной конфигурации, а именно уменьшения ширины щелевидной апертуры полого катода.

Техника эксперимента Эксперимент проводился на электронном источнике, схема которого приведена на рис. 1. Источник включал в себя прямоугольный полый катод 1 размером 3106030 mm, плоский анод 2 с эмиссионным окном размером 31010 mm, изоляторы 3, 4 для крепле- Рис. 1. Схема электронного источника.

Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника... Результаты эксперимента Измерения показали, что уменьшение ширины щели в апертуре катодной полости приводит к возрастанию концентрации плазмы (рис. 2, 1, b). Однако, как видно из рисунков, при ширине щели 9 mm и менее однородное распределение плазмы вдоль полости нарушается, и появляется один или несколько локальных максимумов, которые можно наблюдать визуально по интенсивному свечению (рис. 3). Положение этих максимумов споРис. 4. Распределение концентрации плазмы в апертуре катодной полости для различных токов разряда: 1 — 0.2, 2 —0.4, 3 —0.6, 4 —1, 5 —1.3 A. Высота полости h равна:

60 (a), 44 mm(b). Ширина щели 8 mm, давление 6 Pa.

собно скачкообразно изменяться во время наблюдения.

В настоящей работе фиксация положения области повышенной концентрации (ОПК) была обеспечена путем Рис. 2. Распределение концентрации плазмы n в апертуре небольшого ( 0.5mm) увеличения ширины катодной катодной полости для разных значений ширины щели: 1 — 13, щели в ее средней части. Это позволило более детально 2 — 11, 3 —9, 4 — 8 mm. Ток разряда 400 (a), 800 mA (b), изучить наблюдаемые закономерности. Локальный макдавление 6 Pa.

симум оказывается наиболее четко выраженным при малых разрядных токах (рис. 4, a). Увеличение разрядного тока приводит к возрастанию концентрации за пределами ОПК. При некоторых значениях разрядного тока локальный максимум концентрации становится практически незаметным. Область яркого свечения также распространяется на всю катодную полость. С сокращением объема и соответственно площади стенок катодной полости, достигаемым уменьшением высоты h (рис. 1), пороговый разрядный ток, при котором исчезает локальный максимум, снижается (рис. 4, b). Пороговый ток снижается также с увеличением ширины щели в апертуре катодной полости и возрастанием давления (рис. 5). Распределения концентрации плазмы, снятые Рис. 3. Свечение плазмы в щелевидной апертуре катодной при различной глубине погружения зонда в полость полости.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 64 Ю.А. Бурачевский, В.А. Бурдовицин, А.С. Климов, Е.М. Окс, М.В. Федоров Как следует из результатов экспериментов, решающим параметром для появления ОПК оказывается ширина цели. Это позволяет предположить механизм, базирующийся на представлении о самопроизвольном „стягивании“ разряда в локальную область. Последовательность явлений может быть следующей. При малых разрядных токах и, следовательно, низких концентрациях плазмы щель в апертуре катодной полости оказывается перекрытой ионными слоями. Случайное отклонение от установившегося значения концентрации или потенциала плазмы, приводящее к уменьшению толщины ионных слоев, вызывает рост электронного тока в этой области, влекущий за собой повышение интенсивности ионизационных процессов и, следовательно, концентрации плазмы. Это означает дальнейшее снижение толщины ионных слоев. Процесс развивается лавинообразно и заканчивается формированием локальРис. 5. Зависимость разрядного тока Id, при котором исчезает ной области, обеспечивающей прохождение практически неоднородность, от ширины b щели для различных давлений:

всего электронного тока. Увеличение разрядного тока 1 — 10, 2 —6, 3 —4 Pa.

вызывает возрастание концентрации плазмы и раскрытие ионных оболочек за пределами локальной области, что и приводит к изменению характера распределения свидетельствуют о том, что наиболее четко выражен- концентрации плазмы по длине полости. Элементарные ный максимум имеет место в плоскости щелевидной оценки толщины ионных слоев, соответствующие измеапертуры.

ренным концентрациям плазмы дают значения, сравнимые с шириной щели в апертуре полости (см. таблицу). Это может служить дополнительным аргументом в Обсуждение результатов пользу предлагаемого механизма. Очевидно также, что экспериментов уменьшение площади стенок полости при сохранении разрядного тока означает возрастание концентрации Сведения о наблюдении локального свечения в выход- плазмы, что и проявляется в снижении порогового тока ной апертуре протяженной катодной полости приводи- (рис. 4).

лись в [4]. Авторы связывают это с контрагированием В работе [6] нами отмечалась одна из причин возразряда, однако не приводят экспериментальных резуль- никновения неоднородностей в ленточном электронном татов измерения падения потенциала. Для объяснения пучке, заключающаяся в существовании положительной явлений, наблюдаемых в настоящем исследовании, мож- обратной связи между плотностью плазмы и обратным но было бы привлечь сформулированные в [5] соображе- ионным потоком из ускоряющего промежутка в разрядния об образовании двойного слоя в апертуре катодной ную область. Результаты настоящей работы указывают полости при условии, что на еще одну возможную причину появления таких неоднородностей.

Sa/Sc < m/M, (1) Измеренная концентрация плазмы и оцененная толщина ионгде Sa и Sc — площади апертуры и стенок полоного слоя для различных размеров полости и разрядных сти соответственно, а m и M — массы электрона и токов Id иона. Однако проведенные нами измерения плавающего потенциала зонда не позволили обнаружить скольКонцентрация, 1016 m-3 Толщина слоя, mm Id, mA Sa/Sc нибудь существенной разности потенциалов между ОПК 0.7 9.0 200 0.и остальной плазмой. С другой стороны, отношения Sa/Sc, соответствующие распределениям, приведенным 2.1 5.4 на рис. 4, a, b, равны 0.046 и 0.057. Эти величины 5.3 3.6 на порядок превышают значения m/M для азота, 10 2.8 составляющего в основном атмосферу вакуумной ка3.6 4.1 200 0.меры при напуске воздуха, т. е. во всех случаях имело место образование ОПК в условиях, когда критерий (1) 7.0 3.0 образования двойного слоя не выполнялся. Указанные 9.3 2.8 обстоятельства вызвали необходимость поиска альтер10.5 2.7 нативного объяснения наблюдаемых явлений.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника... Заключение В разряде с протяженным полым катодом имеет место образование ОПК плазмы в щелевидной апертуре при условии, что ширина щели меньше некоторого значения, определяемого площадью стенок полости.

С увеличением разрядного тока ОПК расширяется и может распространиться на всю длину щели. Вероятной причиной возникновения ОПК является локальное лавинообразное раскрытие ионных оболочек в щелевидной апертуре катодной полости, сопровожающееся „стягиванием“ разряда и ростом концентрации плазмы в области локализации. Устранение ОПК может быть обеспечено снижением толщины ионных слоев в апертуре катодной полости, достигаемым повышением разрядного тока, либо уменьшением площади стенок полости.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты:

05-02-98000-p_обь_a, 05-08-01319-a.

Список литературы [1] Leonhardt D., Muratore C., Walton S.G. et al. // Proc. of 16th Int. Symp. on Plasma Chemistry. Taormina, Italy, 2003. ISPC144. pdf.

[2] Бурдовицин В.А., Окс Е.М., Федоров М.В. // Изв. вузов.

Физика. 2004. № 3. С. 74–77.

[3] Burdovitsin V., Oks E. // Rev. Sci. Instrum. 1999. Vol. 70. N 7.

P. 2975–2978.

[4] Гаврилов Н.В., Осипов В.В., Буреев О.А. и др. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. Вып. 3. С. 72–78.

[5] Метель А.С. // ЖТФ. 1984. Т. 54. Вып. 2. С. 241–247.

[6] Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Окс Е.М., Федоров М.В. // ЖТФ. 2004. Т. 74. Вып. 1. С. 104–107.

5 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып.




© 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.