WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

граница плазмы перемещается таким образом, чтобы обеспечить нулевую напряженность электрического поля на поверхности плазмы. Расчет производится до длиной ускоряющего зазора, изменявшейся в пределах получения самосогласованного решения. Определялись 10-15 mm. Толщина электродов оптики составляла условия формирования пучка с минимальными потерями 1.5 mm. Эмитирующая плазма создавалась в катодна электродах оптики, рассчитывался половинный угол ной полости, экранный электрод оптики также имел расходимости пучка, распределение плотности тока катодный потенциал. Напряжение горения импульсного j(r) в любом заданном сечении пучка, а также оцениразряда с током 5-15 A составляло 400-500 V. Плотвалось соотношение между током ионов на экранный ность тока эмиссии ионов аргона изменялась в пределах электрод и током пучка. Потенциал экранного электрода 3-10 mA/cm2. Профиль ионного пучка измерялся на принимался равным = 0.150 и 500 V, что соответрасстоянии 300 mm от оптики с помощью зонда в виде вольфрамовой проволочки диаметром 0.5 mm, перемещаемой вдоль щели шириной 2 mm. На рис. 3 представлены профили пучка, полученные при плотности тока эмиссии ионов 10 mA/cm2 и различных значениях ускоряющего напряжения, а на рис. 4 приведены зависимости полного угла расходимости от ускоряющего напряжения для различных значений плотности эмиссионного тока. Угол расходимости оценивался из отношения полной ширины профиля пучка на половине высоты к длине области дрейфа пучка. Как видно из рис. 4, минимальный угол расходимости пучка близок к 0.02 rad, а значения НПО, соответствующие минимуму кривых 1 и 2, составляют 1.5 · 10-9 и 2 · 10-9 A/V3/2 соответственно. Уменьшение плотности тока пучка и рост толщины слоя приводит к снижению величины нормализованного первеанса.

Результаты моделирования С использованием программы BEAM–CAD, разработанной Ю.А. Коваленко (Всероссийский электротехнический институт, Москва), моделировались условия форРис. 5. Зависимости угла расходимости пучка от отношения мирования ионного пучка одноапертурной трехэлектрод- напряжений R. 1 — Ut = 1.5kV, l = 3.75 mm; 2 — Ut = 2kV, ной ускоряюще-замедляющей оптикой в двух диапазонах l = 4.75 mm; 3 — Ut = 3kV, l = 6.5 mm; je = 2mA/cm2.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 78 Н.В. Гаврилов, Д.Р. Емлин ствует анодному, плавающему и катодному потенциалам экранного электрода.

На рис. 5 приведены результаты расчета, целью которого было определение размеров оптики и значений R, которые обеспечивают минимальную угловую расходимость пучка ионов аргона с энергией 1 keV при плотности тока эмиссии ионов из плазмы 2 mA/cm2 в отсутствие слоя ( = 0). Расчет проводился для трех вариантов оптики с одинаковым диаметром отверстий d = 4 mm и длиной замедляющего зазора ld = 2 mm.

Длина l ускоряющего промежутка и напряжение Ut для этих трех вариантов были различны и выбирались из условия обеспечения величины НПО, равной 1/2 от ее максимального значения. Из полученных результатов следует, что при R > 0.3 и = 0 минимальные значения достигаются в системе с наибольшей длиной зазора l. Резкое уменьшение при малых R, полученное для кривых 2 и 3, вызвано усилением фокусирующего Рис. 7. Зависимости угла расходимости (1, 2) и тока на входе действия электростатической линзы и отверстии замедоптики (3, 4) от отношения напряжений R при = 150 V, ляющего электрода. Изменение знака обусловлено je = 1mA/cm2; конечная энергия ионов аргона 1 keV; l = тем, что угол расходимости определялся на расстоянии (1, 3); 4 mm(2, 4).

5 mm от оптики, на значительном же удалении от оптики пучок при малых R будет сильно расходящимся. При малых l (кривая 1) эффект фокусировки не наблюдался, электроде. Отношение токов Ib/Ic также возрастает из-за уменьшение R < 0.3 сопровождалось резким ростом снижения потерь на ускоряющем и замедляющем электока ионов на замедляющий электрод.

тродах оптики. Потери уменьшаются и при уменьшении Результаты расчета системы формирования пучка с длины ускоряющего зазора. Относительно малый угол конечной энергией ионов 1 keV при катодном потенциале расходимости пучка на выходе оптики при R > 0.экранного электрода ( = 500 V) представлены на обусловлен потерей периферийных ионов, траектории рис. 6. Плотность тока эмиссии ионов из плазмы в которых имеют большие углы относительно оси, на зарасчетах соответствовала 1 mA/cm2. Диаметр отвермедляющем электроде. Пучок без потерь в точке вблизи стий составлял 3 mm, длина замедляющего зазора 2 mm, R = 0.5 формируется только при минимальной длине ускоряющий промежуток изменялся в пределах 2-4 mm.

зазора l = 2 mm. При R < 0.5 резко возрастает При уменьшении R снижается угол расходимости пучсходимость пучка на выходе оптики.

ка, возрастают как ток пучка Ib, так и ток ионов Ic, Результаты, полученные при плавающем потенциале извлекаемых из плазмы сквозь отверстие в экранном экранного электрода ( = 150 V), приведены на рис. 7.

При R = 0.5-0.8 пучок проходит оптику без потерь при всех значениях длины ускоряющего промежутка (l = 2-4mm). При малой длине зазора с уменьшением R пучок резко расходится. Значительная неоднородность поля в отверстии экранного электрода приводит к росту аберраций, при этом кроссовер пучка не формируется.

Угол отклонения максимален для периферийных траекторий ионов. Ток ионов на входе в систему и ток пучка возрастают при уменьшении длины зазора и увеличении полного ускоряющего напряжения.

Оцененная в приближении закона 3/2 толщина ионного слоя составила 1.5 mm при плавающем потенциале и 3.5 mm при катодном потенциале экранного электрода. Значительная толщина слоя приводит к тому, что при невысокой напряженности поля в ускоряющем промежутке плазменный мениск вблизи апертуры оптики имеет выпуклую форму, а поток ионов из плазмы становится расходящимся. Это приводит к уменьшению средней плотности тока в пучке по сравнению с плотРис. 6. Зависимости угла расходимости (1, 2) и отношения ностью тока насыщения ионов из плазмы. Начальная токов на входе и выходе оптики (3, 4) от R. Конечная энергия ионов аргона 1 keV; l = 2 (1, 3), 4 mm(2, 4). сходимость пучка ионов в ускоряющем промежутке обесЖурнал технической физики, 2000, том 70, вып. Формирование пучка ионов, извлекаемых из плазмы тлеющего разряда жутка и изменению ее кривизны и формы. Падение тока в пучке обусловлено перераспределением тока ионов, эмитируемых плазмой на периферии апертуры, потери тока пучка на ускоряющий и замедляющий электроды при этом отсутствуют. Уменьшение угловой расходимости пучка (n) при увеличении n также обусловлено уходом на экранный электрод периферийных ионов, дающих наибольший вклад в расходимость пучка. При дальнейшем росте n уменьшение кривизны эмитирующей плазменной поверхности приводит к увеличению.

Таким образом, результаты эксперимента и расчета свидетельствуют о том, что для уменьшения расходимости и повышения интенсивности низкоэнергетичного ионного пучка в системах с катодным слоем необходимо увеличивать напряженность ускоряющего электрического поля. В системах формирования высокоэнергетичного пучка наличие слоя пространственного заряда с падением напряжения в несколько сотен вольт не является Рис. 8. Зависимости угла расходимости пучка (1, 2) и тока препятствием для получения пучков с малой угловой пучка (3, 4) от плотности плазмы при ускоряющем напряжении 30 (1, 4) и 50 kV (2, 3). Штриховая линия — ток насыщения расходимостью, однако может оказывать существенное ионов из плазмы.

влияние на эффективность извлечения ионов из плазмы тлеющего разряда.

печивается радиальной составляющей поля в отверстии Обсуждение экранного электрода. Для увеличения тока и сходимости пучка в ускоряющем промежутке в расчетах приходилось Если положение плазменной границы в центральной увеличивать ускоряющее напряжение или уменьшать области отверстия оптики определяется разностью подлину зазора.

тенциалов между плазмой и ускоряющим электродом Некоторые результаты моделирования высоковольти плотностью тока насыщения ионов из плазмы, то ной оптики при Ut = 30-50 kV и j = 1-30 mA/cm2 ближе к периферии отверстий на положение плазменпредставлены на рис. 8. Получены расчетные зависиной границы оказывает влияние слой пространственного мости угла расходимости и средней плотности тока заряда между экранным электродом и плазмой. При пучка j от плотности плазмы n для оптики с размером значительной толщине слоя эмитирующая поверхность апертуры d = 10 mm, длиной ускоряющего зазора плазмы становится выпуклой, что приводит к изменению l = 15 mm, толщиной электродов 1.5 mm и длиной тока ионов, извлекаемых из плазмы через отверстие замедляющего промежутка 5 mm. Зависимости (n) в экранном электроде, а также начальной сходимости (кривые 1 и 2) являются немонотонными, а значения пучка.

угла расходимости пучка в минимуме кривых составляют Анализ простой модели ионной оптики без учета около 0.02 rad. Из зависимостей j(n) (кривые 3 и 4) влияния ионного слоя дан в [3]. Модель основана на следует, что эффективность извлечения ионов из плазмы предположени о том, что результирующий угол расхов значительной мере зависит от значений ускоряющего димости пучка обусловлен совокупным действием двух напряжения Ut и плотности n и может изменяться в очень эффектов: сходимостью потока ионов, эмитированных широких пределах. Однако при использовании левых сферической плазменной поверхностью и движущихся ветвей зависимостей (n) (кривые 1 и 2) может быть в поле сферического диода, и расходимостью, которая достигнуто оптимальное сочетание значений Ut и n, при обусловлена действием электростатической линзы в откотором плотность тока в пучке близка к эмиссионной верстии ускоряющего электрода. Анализ показал, что плотности тока (штриховая кривая), а угол расходиминимальная расходимость пучка достигается при прамости пучка > 0.05 rad обеспечивает однородность вильном выборе рабочего первеанса пучка. Полученное широкого пучка в сечении, расположенном на удалении в [3] выражение для половинного угла расходимости 0.2-0.3m.

пучка имеет вид При низкой плотности плазмы средняя плотность тока в пучке оказывается выше плотности эмиссионного тока = 0.29d/2l(1-2.14P/P0), (2) ионов в результате формирования вогнутой плазменной границы, фокусирующей ионы с поверхности, площадь где P — рабочий первеанс пучка, определяемый великоторой несколько превышает площадь отверстия. Уве- чиной тока и ускоряющего напряжения; P0 — максиличение плотности плазмы и приводит к смещению мальный первеанс плоского диода, определяемый его плазменной границы в направлении ускоряющего проме- геометрическими размерами.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 80 Н.В. Гаврилов, Д.Р. Емлин Отношение этих величин определяет величину НПО. усилению фокусировки пучка на выходе оптики, что Полученные нами в расчетах результаты также подтвер- совпадает с результатами эксперимента и расчета. В ждают вывод о том, что для получения минимальной отличие от [10] при проведении расчетов фокусное расходимости пучка в двухэлектродных системах нужно расстояние пучка в ускоряющем зазоре определялось использовать значения НПО, близкие к 1/2 от его не радиусом кривизны плазмы, а вычислялось из соотмаксимальной величины. В трехэлектродных ускоряюще- ношения (3).

замедляющих системах для уменьшения расходимости Слой между плазмой и экранным электродом оказыпучка при заданной конечной энергии ионов можно вает существенное влияние и на эффективность отбоувеличивать отношение l/d и полное напряжение на ра ионов из плазмы. При значительной толщине слоя ускоряющем промежутке, т. е. использовать малые, но форма плазменной границы такова, что поток ионов из ограниченные значения R. Этот результат соответствует плазмы становится расходящимся, поэтому даже при полученному ранее в [4]. Таким образом, используемая отсутствии токов утечки на электроды оптики могут нами расчетная модель адекватно описывает процессы быть реализованы такие режимы отбора, при которых формирования пучка.

ток пучка различается в несколько раз. Условия доВлияние напряжения горения разряда, т. е. разности стижения максимального тока в пучке при этом не потенциалов между имеющим потенциал катода экрансовпадают с условиями формирования пучка с мининым электродом и плазмой, имеющей близкий к анодмальной угловой расходимостью. Максимальный ток ному потенциал, на угловую расходимость пучка ионов, обеспечивается в расходящемся пучке, диаметр котоизвлекаемых из плазмы низковольтного разряда с террого в отверстии замедляющего электрода близок к мокатодом, исследовалось в работе [4]. При увеличении диаметру этого отверстия. Толщина экранного электрода напряжения горения с 32 до 50 V угол расходимости оказывает примерно такое же влияние на условия отпучка уменьшался на 2-3, снижалась и величина НПО, бора ионов и формирования пучка, как толщина ионнопри которой обеспечивалась наилучшая фокусировка го слоя.

пучка. Степень влияния напряжения горения зависела Следует отметить, что результаты изучения особенноот конечной энергии пучка и уменьшалась при его стей формирования низкоэнергетичного пучка в систеувеличении.

мах с катодным слоем, полученные для определенной В исследуемых плазменно-эмиссионных системах наплотности тока, справедливы в достаточно широком диапряжение горения тлеющего разряда и плавающий попазоне значений j, поскольку изменение плотности тока тенциал экранного электрода существенно выше, чем ионов одинаковым образом влияет на толщину катодного в [4], значительно больше и толщина ионного слоя.

слоя и требуемую для обеспечения минимальной раходиВ таких условиях кривизна эмитирующей поверхности мости пучка длину ускоряющего промежутка. Изменение плазмы незначительна и первичная фокусировка ионов же ускоряющего напряжения приводит к изменению осуществляется электростатической линзой в отверстии степени влияния ионного слоя. Это обусловлено тем, что экранного электрода. Ионы на выходе в линзу имедля формирования пучка с невысокой угловой расходиют значительную продольную составляющую скорости, мостью требуется обеспечить некоторую оптимальную определяемую падением напряжения на ионном слое.

величину НПО, которая изменяется в ограниченном диаФокусное расстояние для диафрагмы с круглым отверпазоне значений. Увеличение Ut при постоянной плотстием определяется потенциалом экранного электрода ности j приводит к необходимости увеличения длины l относительно плазмы и разностью значений напряженускоряющего промежутка, а следовательно и диаметра ности Ed электрического поля в слое и напряженности d отверстий, при этом относительная толщина ионного Et поля в ускоряющем промежутке [9] слоя уменьшается, а его влияние ограничивается процессами на периферии плазменного мениска.

Pages:     | 1 || 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.