WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 5 04;10 Формирование пучка ионов, извлекаемых из плазмы тлеющего разряда © Н.В. Гаврилов,1 Д.Р. Емлин2 1 Институт общей физики РАН, 117942 Москва, Россия 2 Институт электрофизики УрО РАН, 620049 Екатеринбург, Россия (Поступило в Редакцию 10 декабря 1998 г.) В плазменно-эмиссионных структурах на основе тлеющего разряда разность потенциалов между эмитирующей ионы плазмой и экранным электродом ионно-оптической системы зависит от особенностей электродной системы тлеющего разряда и может изменяться в пределах 0-1 kV. Приведены результаты экспериментального исследования и компьютерного моделирования формирования пучков ионов с энергией 1-50 keV и плотностью тока 1-10 mA/cm2 в ионных источниках на основе таких структур.

Введение промежутка к радиусу отверстий оптики [3] и отношение R разности потенциалов, определяющей конечную Высокая плотность тока j и ее однородное распре- энергию ионов к полному напряжению, приложенному к деление j(r) по сечению пучка являются основными ускоряющему промежутку [4], существенное влияние на требованиями к ионным пучкам большого сечения, ис- условия формирования пучка оказывает также и разность пользуемым для модификации поверхности материалов.

потенциалов между плазмой и экранным электродом Эти параметры пучков, формируемых многоапертурны- оптики, которая может изменяться в широких пределах.

ми электростатическими ионно-оптическими системами, Эмиттирующая ионы плазма может создаваться в анодопределяются не только плотностью и степенью про- ной или катодной полостях, что зависит от используемой странственной однородности эмитирующей плазмы, но и разновидности электродной системы тлеющего разряугловой расходимостью и длиной области дрейфа пучка.

да [5]. Поскольку площадь контактирующего с плазмой Значительная угловая расходимость приводит не только экранного электрода оптики, формирующей широкий к уменьшению средней плотности тока в расширяющем- пучок, достаточно велика, то потенциал этого электрода ся пучке, но и к трансформации пучка из однородного в оказывает существенное влияние на свойства разряда и пучок с гауссовым профилем [1]. Поэтому угол расхо- не может быть задан произвольным образом. Повышение димости лучей, формируемых в элементарных ячейках потенциала элементов электродной системы, контактиионной оптики, должен быть минимальным. С другой рующих с плазмой разряда с полным катодом, увеличивастороны, эти лучи все же должны обладать конечной ет скорость потерь быстрых электронов, что приводит к угловой расходимостью, обеспечивающей однородность увеличению напряжения горения и требуемого давления распределения j(r) их перекрыванием в заданном сече- газа в разряде [6]. В плазменно-эмиссионных структурах нии ионного пучка. Таким образом, одной из основных за- такого типа [7,8] между генерируемой в катодной подач формирования однородных широких пучков с исполь- лости плазмой и имеющим потенциал катода экранным зованием многоапертурной электростатической оптики электродом существует слой пространственного заряда, является обеспечение оптимальной угловой расходимо- падение потенциала в котором определяется насти пучка, при которой не наблюдаются мелкомасштаб- пряжением горения разряда и составляет сотни вольт, ные неоднородности распределения j(r), обусловленные а толщина слоя в зависимости от плотности плазмы проявлением дискретной структуры оптики при малых может изменяться от долей миллиметра до нескольких углах расходимости, и не возникает крупномасштабная миллиметров.

неоднородность j(r) из-за перераспределения тока в В структурах с извлечением ионов из плазмы, создавапучке при больших углах расходимости. Причем если емой в анодной полости электродной системы тлеющего для систем формирования низкоэнергетичных пучков разряда, через отверстия в экранном электроде, имеюосновной проблемой является уменьшение угловой рас- щем плавающий потенциал, также формируется приэлекходимости, то в высокоэнергетичных пучках с невысоким тродный слой со значительным падением напряжения.

первеансом при изменении параметров пучка в широких Присутствие в плазме тлеющего разряда эмитированных пределах могут проявляться оба типа неоднородностей. катодом первичных электронов, средняя энергия котоОтличительной особенностью плазменно-эмиссион- рых зависит от степени их энергетической релаксации ных структур на основе тлеющего разряда является то, и может быть значительно выше тепловой, приводит к что наряду с такими характеристиками пучка и ионной тому, что плавающий потенциал экранного электрода оптики, как нормализованный первеанс пучка на одно оказывается значительно (на 100-200 V) ниже потенциотверстие (НПО) [2], отношение длины ускоряющего ала плазмы.

Формирование пучка ионов, извлекаемых из плазмы тлеющего разряда Наличие слоя с большим падением напряжения и определению Ut как полного напряжения на ускоряющем значительной толщиной влияет на форму плазменной промежутке.

эмиссионной поверхности, условия отбора ионов из Использовались различные электродные системы тлеплазмы и формирования пучка. ющего разряда с генерацией эмитирующей плазмы как В работе приведены результаты экспериментального в катодной, так и в анодной полостях. Потенциал экранисследования и компьютерного моделирования форми- ного электрода ионной оптики измерялся относительно рования пучков ионов аргона с энергией 1-50 keV и анода разрядной системы и составлял 500-700 V для плотностью тока 1-10 mA/cm2 в системах с плазмен- присоединенного к катоду электрода и 150-180 V для ным эмиттером ионов на основе тлеющего разряда. изолированного электрода. Использовались режимы горения разряда, в которых потенциал плазмы был близок к потенциалу анода. Согласно результатам массЭкспериментальные результаты спектроскопических исследований состава плазмы в катодной полости тлеющего разряда [5,7,8], содержание В экспериментах изучалось формирование пучков двухзарядных ионов аргона не превышало 10%, примесь ионов аргона в двух диапазонах энергии: 1-ионов металла в плазме могла достигать нескольких прои 30-50 keV. Использовались трехэлектродные центов. В экспериментах с помощью подвижного зонда ускоряюще-замедляющие ионно-оптические системы с измерялись радиальные профили плотности тока в широодинаковым для всех электродов диаметром отверстий ком пучке и пучке, формируемом элементарной ячейкой d, который составлял 3 mm для низкоэнергетичной и оптики, а также ток пучка и токи в цепях электродов 10 mm для высокоэнергетичной оптики. Отношение ионной оптики. Результаты измерений использовались R напряжения Un, определяющего конечную энергию для оценки эффективности извлечения ионов из плазмы, ионов на выходе системы формирования к полному потерь тока ускоренных ионов и угловой расходимости ускоряющему напряжению Ut, для высоковольтной пучка.

оптики определялось из условия отражения обратного а) Формирование низкоэнергетичных пучэлектронного потока и было близко к единице, а при к о в. Для проведения эксперимента была разработана формировании низкоэнергетичных пучков величина R электродная система тлеющего разряда с полыми каизменялась в пределах 0.25-1 с целью определения тодом и анодом в магнитном поле, обеспечивающая условий достижения минимального угла расходимости повышенную однородность эмитирующей плазмы. Ионы пучка при заданной конечной энергии ионов и извлекались из плазмы, генерируемой в анодной полости плотности тока эмиссии. Размеры элементарной ячейки разрядной системы, что позволяло изменять потенциал оптики, значения ускоряющего напряжения и плотности экранного электрода от плавающего до катодного без тока эмиссии ионов выбирались таким образом, существенного изменения характеристик разряда. Дочтобы обеспечить в обоих энергетических диапазонах полнительным фактором, способствующим уменьшению возможность изменения значений нормализованного различий в условиях горения разряда и плотности генепервеанса на отверстие в некотором интервале вблизи рируемой в этих двух режимах плазмы, являлось использначений 1-3 · 10-9 A/V3/2. Максимальная величина зование многоапертурной оптики, большая суммарная НПО определяется соотношением [2] площадь апертур которой обусловливает значительное влияние ускоряющего поля на условия горения разряда.

(I/Ut3/2)(lcd)2 = 0/9(2q/M)1/2 (1) Неоднородность радиального распределения плотности эмитирующей плазмы не превышала 5% в круге диамеи составляет для аргона 6.79·10-9 A/V3/2. Здесь I —ток тром 80 mm, соответствующем диаметру оптики. Плотпучка; q, M — заряд и масса иона; lс =(l2 + d2/4)1/2 — ность тока эмиссии ионов из плазмы je 1mA/cmэффективная длина ускоряющего промежутка; l, d — обеспечивалась при токе разряда 0.7 A и напряжении длина ускоряющего промежутка и диаметр отверстий горения разряда 670 V. Поток газа, напускаемого в разоптики. Согласно [2], для формирования пучка ионов аргона с минимальной угловой расходимостью необхо- рядную систему, поддерживался постоянным и равным 10 cm3 · atm/min, при этом давление в вакуумной камере димо использовать значения НПО, которые в 2-3 раза меньше предельной величины. Однако следует иметь в составляло 10-2 Pa. Диаметр апертур оптики составлял виду, что наличие слоя, в котором ионы приобретают 3 mm, длина ускоряющего зазора изменялась в пределах начальную энергию, составляющую значительную долю 2-4 mm, замедляющий зазор был постоянным и равным от полной энергии ионов в ускоряющем промежутке, 2 mm, толщина электродов составляла 1.2 mm. Общая делает некорректным использование соотношения (1) площадь отверстий оптики была 25 cm2. Источник для оценки НПО. Величина R в этих условиях опреде- работал в режиме автокомпенсации пространственного лялась как отношение напряжения источника питания, заряда пучка.

определяющего конечную энергию ионов, к напряже- Зависимости, иллюстрирующие влияние величины R нию источника, подключенного между анодом тлеющего на условия формирования пучка ионов с конечной энерразряда и ускоряющим электродом, что характеризует гией eUn = 1 keV в оптике с длиной ускоряющего степень замедления ионов, но не отвечает данному в [2] промежутка l = 4 mm при катодном и плавающем Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 76 Н.В. Гаврилов, Д.Р. Емлин ток эмиссии ионов из плазмы, измерявшийся в цепи источника напряжения Un, при этом изменяется незначительно. При плавающем потенциале экранного электрода (рис. 2) ток пучка монотонно уменьшается с ростом R, а его величина лишь незначительно отличается от тока ионной эмиссии.

Измерения профиля пучка проводились с использованием подвижного цилиндра Фарадея, заключенного в заземленный корпус и находящегося под отрицательным потенциалом — 100 V. Диаметр входного отверстия составлял 1.5 mm. Полный угол расходимости пучка оценивался по результатам измерений профиля пучка как 2 = 1/2(l0.9 - l0.1)/L, где l0.1, l0.9 — ширина пучка на уровне 0.1 и 0.9 от амплитудного значения тока соответственно; L — длина области дрейфа пучка.

Коэффициент 1/2 учитывает тот факт, что размывание пучка вследствие угловой расходимости сопровождается как уширением пучка по основанию, так и уменьшением ширины плато на вершине профиля [1]. Минимальный угол 5 в системе с плавающим потенциалом был получен при R 0.5. При катодном потенциале экранРис. 1. Изменение тока ионов аргона на входе в оптику (1), ного электрода значение R составило около 0.4, однако тока пучка (2), тока на ускоряющий (3) и замедляющий (4) электроды оптики в зависимости от отношения напряжений R ток пучка был примерно вдвое ниже из-за потерь ионов при катодном потенциале экранного электрода.

на электродах оптики. Уменьшение длины ускоряющего зазора до 2 mm улучшило формирование пучка в системе с катодным слоем при малых R, но привело к увеличению потерь тока пучка в системе с плавающим потенциалом при больших значениях R.

б) Формирование высокоэнергетичных п у ч к о в. Изучалось формирование пучка в элементарной ячейке оптики источника ионов на основе разряда с полым катодом в магнитном поле [7], многоапертурная ионная оптика которого была заменена на одноапертурную оптику с диаметром отверстий 10 mm и Рис. 2. То же, что на рис. 1, при плавающем потенциале экранного электрода ( = 160 V).

потенциале экранного электрода, приведены на рис. и 2 соответственно. Максимальный ток пучка, близкий к току эмиссии ионов из плазмы, в этих системах достигается при минимальных значениях R. В системе с катодным потенциалом экранного электрода (рис. 1) Рис. 3. Профили плотности пучка, формируемые при различувеличение R приводит к увеличению потерь тока на ных напряжениях (в kV) на ускоряющем промежутке (цифры электродах оптики и резкому падению тока пучка, однако у кривых). Ток и напряжение горения разряда 15 A и 500 V.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Формирование пучка ионов, извлекаемых из плазмы тлеющего разряда энергий ионов 0.5-3 и 20-50 keV. Эмиттером ионов являлась аргоновая плазма с плотностью однозарядных ионов n 3 · 1010-3 · 1011 cm-3 и температурой электронов 5-10 eV. Расчеты проводились с целью анализа влияния слоя на процессы отбора и начального формирования пучка, поэтому влияние пучковой плазмы для упрощения вычислений не моделировалось. Присутствие в плазме тлеющего разряда быстрых электронов в модели также не учитывалось, поэтому значения плавающего потенциала и плотность тока эмиссии ионов оценивались приближенно. Использованные приближения и допущения обусловливают преимущественно качественный характер полученных при расчете зависимостей.

В программе использован обычный алгоритм расчета, заключающийся в задании геометрии и распределения потенциалов на электродах оптики, а также первоначального положения плазменной поверхности и ее ионно-эмиссионных свойств. Затем находится решение уравнения Лапласа при заданных границах и вычисляются траектории ионов. Следующим шагом являются Рис. 4. Зависимости полного угла расходимости пучка от вычисление плотности пространственного заряда ионов ускоряющего напряжения je, mA / cm2: 1 — 6.7, 2 — 10;

и решение уравнения Пуассона. После ряда итераций l = d = 10 mm.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.