WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 1 04;10;12 Особенности генерации низкоэнергетичных электронных пучков большого сечения из плазменного источника электронов пеннинговского типа © В.Н. Бориско, А.А. Петрушеня Харьковский национальный университет, 61108 Харьков, Украина e-mail: Borisko@pht.univer.kharkov.ua (Поступило в Редакцию 10 января 2002 г.) Экспериментально исследован широкоапертураный плазменный источник низкоэнергетичных электронов, выполненный на базе электрически несимметричного отражательного разряда. Исследованы особенности и определены положения границ режима генерации электронного пучка. Проведен сравнительный анализ влияния размеров и формы разрядных электродов на характеристики источника. Определен способ эффективного управления током электронного пучка.

Введение разряда такого типа, когда в области разряда преобладает отрицательный пространственный заряд, возмоВ настоящее время электронные пучки большого се- жен выброс „аномальных“ электронов в аксиальном чения находят широкое применение в различных техно- направлении [3,4]. В этом случае эмиссия электронов логических процессах: для отжига металлов и полупро- возможна без использования вытягивающих электродов водников [1], для накачки электроионизационных лазе- только за счет энергии, которую они приобретают ров, в радиационной и электронно-лучевой технологии, при взаимодействии с высокочастотными колебаниями, в плазмохимии и в других областях [2]. В большинстве возбуждаемыми в области анодного слоя. Отсутствие случаев для получения электронных пучков большого извлекающего электрода дает возможность извлекать сечения наиболее целесообразно использование плаз- низкоэнергетичные пучки электронов, а также расшименных источников электронов ПИЭЛ, что обусловлено рить апертуру эмиссионного отверствия до поперечных широким диапазоном параметров пучков электронов размеров анода. Однако существование таких режимов получаемых с их помощью. Основными требованиями, в отражательном разряде остается практически неизупредъявляемыми к таким источникам, являются форми- ченным.

В данной работе приведены результаты эксперименрование в эмиссионной области неоднородной плазмы тального исследования влияния внешних параметров с повышенной плотностью, малый поток нейтралов разряда на режимы генерации низкоэнергетичных элекрабочего газа в ускоряющий промежуток, эффективное тронных пучков из широкоапертурного плазменного исуправление током электронного пучка, минимальные точника электронов, выполненного на базе электрически затраты мощности на формирование плазмы и достанесимметричного отражательного разряда.

точно большой ресурс работы. Этим требованиям во многом удовлетворяют ПИЭЛ на основе отражательных разрядов с холодными катодами. Источники данного Техника эксперимента типа могут эффективно работать с химически активными рабочими газами в условиях интенсивной ионной бомЭксперименты проводились с двумя конфигурациями бардировки и периодическими контактами с атмосферазрядных электродов пеннинговского типа (рис. 1), рой, обеспечивают устойчивые режимы работы ПИЭЛ которые находились в однородном магнитном поле, при малых разрядных токаx, обладают высокой газонаправленном вдоль оси системы. Первая конфигурация вой экономичностью, простой конструкцией и надежны электродов (рис. 1, a) состояла из цилиндрического анов работе.

да и двух отражательных электродов, один из которых В большинстве существующих ПИЭЛ на основе отбыл плоским 1, а второй — цилиндрическим 3. Во ражательных разрядов с холодными катодами извлевторой конфигурации (рис. 1, b) все электроды были чение электронов из плазмы разряда осуществляется цилиндрическими. Цилиндрические электроды были изза счет высоких вытягивающих напряжений, прикла- готовлены из нержавеющей стали, а плоский — из дываемых между плазмой и извлекающим электродом.

дюралюминия.

В этих источниках эмиссия электронов в ускоряющий В ходе экспериментов использовались системы разпромежуток осуществляется из плазмы разряда через рядных электродов с диаметрами d = 18, 30 и 80 mm.

отверствие малого сечения, что затрудняет их исполь- При этом всегда сохранялось подобие: межэлектродные зование для получения электронных пучков большого расстояния катод–анод и длины цилиндрических катосечения. Однако при определенных внешних параметрах дов были равны радиусу, а длина анода — диаметру Особенности генерации низкоэнергетичных электронных пучков большого сечения... Рис. 1. Схема плазменного источника электронов: a — конфигурация электродов с плоским катодом; b — конфигурация электродов с цилиндрическими катодaми.

электродов. Исследования проводились в стационарном поля, давления и сорта рабочего газа, а также от режиме горения разряда. Использовались как электри- геометрических параметров разряда [5]. Исходя из этого чески симметричное, так и несимметричное включение была экспериментально исследована взаимосвязь между разрядных электродов. В первом случае оба катода (1, 3) различными режимами горения разряда, его геометрией находились под одинаковым потенциалом, равным по- и режимами генерации электронных пучков. Области тенциалу земли, а на анод (2) подавался положительный внешних параметров разряда (анодное напряжение Ua потенциал. Во втором случае катод 3 был заземлен, а и давление рабочего газа P), соответствующие этим разность потенциалов между катодами 1 и 3 изменялась режимам, показаны на рис. 2. Во всех случаях генерация в пределах U =(-500 - + 500) V.

электронных пучков наблюдалась только в высоковольтИсследования проводились при давлении рабочего ном режиме горения разряда. При использовании вместо газа (водород, воздух) P = 0.01-1 · 10-3 Torr, индукции воздуха более легкого рабочего газа — водорода, а магнитного поля B = 0.01-0.1 T, анодном напряжении также с уменьшением диаметра разрядных электродов Ua = 0.5-3.5 kV и разрядных токах I = 0.1-100 mA.

p границы режима генерации электронных пучков расПлотность плазмы ne 0.1-2 · 1010 сm-3 и темпераширялись в область более высоких давлений рабочего тура электронов Te = 5-20 eV определялись зондовой газа и анодных напряжений. Подобные зависимости методикой. Остаточное давление в вакуумной камере не были характерны и для случаев, когда применялась превышало 4 · 10-6 Torr.

электрически несимметричная схема включения отражаЭлектронный пучок извлекался из разряда в аксильтельных электродов при отрицательных значениях U.

ном направлении со стороны катода 3. Радиальное расДля систем разрядных электродов с плоским катодом пределение плотности тока пучка заряженных частиц, с уменьшением их диаметра до 18 mm для обоих сортов извлекаемых из разряда вдоль оси системы, и их энеррабочих газов генерация электронных пучков наблюдагия в продольном направлении исследовались с помолась почти во всей области высоковольтного режима щью передвижного многосеточного электростатического горения разряда (рис. 2, e, f).

энергоанализатора 4.

Изучение радиальных распределений потенциалов и Волновые процессы в плазме исследовались экраплотностей плазмы соответствующих режиму генеранированными одиночными цилиндрическими зондами, ции электронного пучка показало, что данный режим которые находились под плавающим потенциалом и нахарактеризуется резким снижением потенциала плазмы гружались на емкостной делитель обладающий высоким (рис. 3, a, кривые 1–3) и одновременным возрастаниимпедансом в данном диапазоне частот.

ем ее плотности (рис. 3, b, кривые 1–3) в центральной области разряда по сравнению с их значениями, когда генерация электронного пучка не наблюдалась Результаты экспериментов (рис. 3, a, b, кривые 4, 5). Применение электрически несимметричной схемы включения отражательных элекСуществование в отражательном разряде различных режимов горения существенно влияет не только на тродов ( U = -500 V) приводило к дальнейшему попараметры разряда, но и на свойства плазмы, эмит- нижению потенциала плазмы (рис. 3, a, кривая 2) и тирующей электроны [2]. Положение границ режимов одновременному повышению ее плотности (рис. 3, b, горения разрядов такого типа зависит от падения анод- кривая 2). Когда в качестве рабочего газа использоного напряжения, напряженности внешнего магнитного вался воздух, потенциал плазмы (рис. 3, a, кривая 3) Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 88 В.Н. Бориско, А.А. Петрушеня Рис. 2. Режимы горения разряда и генерации электронного пучка. I — высоковольтный режим, II — режим генерации электронного пучка, III — сильноточный режим. • — граница существования разряда, — граница режима генерации электронного пучка — граница сильноточного режима горения разряда. a, b — цилиндрические электроды диаметром 80 mm;

c, d — цилиндрические электроды диаметром 18 mm; e, f — электроды с плоским катодом диаметром 18 mm; a, c, e —рабочий газ воздух; b, d, f — рабочий газ водород; a, b, d, e, f — B = 0.06 T, U = 0; c — B = 0.06 T, U = -500 V.

принимал более высокие, а плотность плазмы (рис. 3, b, ность которого зависели от напряженности внешнего кривая 3) — более низкие значения, чем для рабочего магнитного поля H, падения анодного напряжения Ua, газа водорода. В режиме генерации электронного пучка разности потенциалов между катодами U, давления P в анодном слое разряда наблюдались интенсивные вы- и сорта рабочего газа, а также от формы и диаметра сокочастотные дрейфовые колебания в диапазоне частот разрядных электродов. Степень неоднородности элекf 10-55 MHz. Частота данных колебаний зависела тронного пучка уменьшалась, когда применялись плоскак от внешних параметров разряда, так и от диаметра кие катоды, а также с уменьшением диаметра разрядразрядных электродов и сорта рабочего газа. С умень- ных электродов (рис. 4, b). При использовании вместо шением диаметра разрядных электродов, а также массы воздуха (рис. 4, b, кривая 3) более легкого рабочего рабочего газа частота колебаний возрастала. газа водорода (рис. 4, b, кривые 1, 2) наблюдались увеРадиальная структура эжектируемого электронного личение плотности тока пучка электронов и смещение пучка для всех систем разрядных электродов была его максимума к оси системы. Электрическая асимметнеоднородной и имела максимум на некотором рассто- рия в системе ( U = -500 V) позволяла получать еще янии от оси системы (рис. 4), положение и интенсив- большие значения плотности тока пучка электронов.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Особенности генерации низкоэнергетичных электронных пучков большого сечения... Рис. 3. Радиальное распределение потенциала (a) и плотности плазмы (b) со стороны катода 3. Цилиндрические электроды диаметром 80 mm. 1 — рабочий газ водород, P = 9 · 10-5 Torr, B = 0.06 T, Ua = 1.5kV, U = 0; 2 — рабочий газ водород, P = 9 · 10-5 Torr, B = 0.06 T, Ua = 1.5kV, U = -500; 3 — рабочий газ воздух, P = 4 · 10-5 Torr, B = 0.06 T, Ua = 1.5kV, U = 0;

4 — рабочий газ водород, P = 10-4 Torr, B = 0.06 T, Ua = 1.5kV, U = 0; 5 — рабочий газ водород, P = 9 · 10-5 Torr, B = 0.023 T, Ua = 1.5kV, U = 0.

Рис. 4. Радиальное распределение плотности тока пучка электронов за катодом 3 (см. рис. 1). 1, 2 — рабочий газ водород, 3 — рабочий газ воздух; a — цилиндрические электроды диаметром 80 mm. P = 9 · 10-5 Torr, B = 0.06 T, Ua = 1.5kV; 1 — U = 0, 2 — U = -500 V. b — электроды c плоским катодом диаметром 18 mm. P = 9 · 10-5 Torr, B = 0.08 T, Ua = 1.5kV; 1, 3 — U = 0, 2 — U = -500 V.

В этом случае при оптимальных значениях внешних источника h = 0.3-0.6 mA/W, a эффективность извлечепараметров разряда плотность тока пучка электронов ния электронов = 70-90%.

достигала значения J = 30-40 mA/cm2. Энергия пучка Необходимо отметить, что с увеличением плотносоставляла E = 5-10 eV, энергетическая эффективность сти тока пучка электронов наблюдалось одновременное Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 90 В.Н. Бориско, А.А. Петрушеня Рис. 5. Зависимости плотностей токов пучков электронов (1) и ионов (2), разрядного тока (3), токов на катод 1 (4) и на катод 3 (5) от величины U. Рабочий газ — воздух. P = 9 · 10-5 Torr, Ua = 1.5kV, B = 0.08 T. a — цилиндрические электроды диаметром 18 mm, b — плоский и цилиндрический электроды диаметром 18 mm.

понижение потенциала плазмы в центральной области Выводы разряда. Это обстоятельство свидетельствует о том, что Экспериментально исследованы режимы генерации выброс, или, скорее всего, истечение электронов в аксиэлектронных пучков из источника пеннинговского типа альном направлении, имеет также и электростатическую с различной геометрией разрядных электродов. Изучено природу.

влияние геометрических факторов (форма и диаметр Во всех случаях ток пучка электронов был промодуразрядных электродов), сорта рабочего газа и электричелирован высокочастотными дрейфовыми колебаниями.

ской несимметрии в системе на положение границ режиНаиболее вероятная энергия электронов в пучке сома генерации электронных пучков. Показано, что генераставляла 5–80 eV и зависела от геометрии разрядных ция электронных пучков из источника наблюдалась тольэлектродов и сорта рабочего газа. Для водорода она ко в высоковольтном режиме горения разряда. Режим гепринимала более низкие значения (5–10 eV), чем для нерации электронных пучков характеризуется более низвоздуха (40–80 eV). Кроме того, в случае применения кими величинами потенциала плазмы и более высокими конфигураций с плоским катодом в энергетических спектрах наблюдались также электроны с энергией, соответ- значениями ее плотности в центральной области разряда по сравнению с режимами, когда эжекция электроствующей разности потенциалов между катодами U.

нов отсутствовала. С уменьшением диаметра разрядных С уменьшением диаметра разрядных электродов их доля электродов, а также при использовании более легкого в энергетическом спектре понижалась.

рабочего газа границы режима генерации электронных Также было изучено влияние степени электрической пучков расширяются в область более высоких давлений асимметрии в системе на величины плотностей токов ионов и электронов, одновременно извлекаемых из раз- рабочего газа и анодных напряжений. Предложен способ управления током пучка электронов путем изменения ряда. Как видно из рис. 5, в области отрицательных разности потенциалов между катодами. Получены пучки значений U плотность электронного тока значительно электронов с плотностью тока J = 30-40 mA/c,2 и превышала плотность тока ионов. Путем варьирования энергией пучка 5–10 eV. Энергетическая эффективность величины U можно было эффективно управлять током источника составила h = 0.3-0.6 mA/W, а эффективэлектронного пучка. В этом случае разрядный ток для ность извлечения электронов — = 70-90%.

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.