WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 9 04;10;12 Характеристики ионного источника с плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов © Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: gavrilov@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 8 января 2004 г.) Исследованы параметры и ионно-эмиссионные свойства плазмы, генерируемой в анодной ступени ионного источника с плазменным катодом на основе тлеющего разряда с полым катодом. Для снижения минимального рабочего давления газа до 5 · 10-3 Pa на поверхности полого катода была установлена многополюсная магнитная система и усилено периферийное магнитное поле в анодной ступени источника. Изучено влияние давления газа, тока плазменного катода и разности потенциалов между электродами анодной ступени на величину извлекаемого из плазмы ионного тока. Обнаружено существенное влияние размера выходной апертуры полого катода на эффективность извлечения ионов. С использованием зондовой методики измерен потенциал (1-5V) и электронная температура (1-8eV) плазмы анодной ступени. Определены условия, обеспечивающие максимальный ток ионной эмиссии плазмы при низких давлениях газа.

Введение Настоящая работа посвящена изучению параметров и ионно-эмиссионных свойств плазмы, генерируемой в свободном от магнитного поля объеме второй ступени Применение в источнике ионов газов двухступенгазоразрядной системы с плазменным катодом на основе чатого тлеющего разряда, в первой ступени которого тлеющего разряда низкого давления.

создается плазменный катод, а во второй ступени генерируется плазма с требуемыми ионно-эмиссионными свойствами, не только обеспечивает большой ресурс Методика эксперимента источника при работе с химически активными газами, но и позволяет снизить рабочее давление газа и уменьшить Электродная система ионного источника (рис. 1) сосодержание ионов металлов в пучке [1]. Введение сетки, держит полый катод, по оси которого установлен стержразделяющей катодную и анодную ступени источника невой поджигающий электрод, и анодную камеру. Катоди фиксирующей положение и потенциал плазменного ный и анодный электроды изготовлены из нержавеющей эмиттера электронов, позволяет изменять энергию инстали и имеют одинаковый диаметр 130 mm. Напротив жектируемых во вторую ступень электронов [2], что открывает дополнительные возможности для управления плотностью эмитирующей плазмы, а также массовым составом и зарядовым состоянием ионов.

Во второй ступени такого источника могут быть использованы различные электромагнитные ловушки, обеспечивающие удержание и эффективную энергетическую релаксацию первичных электронов, причем для получения широкого ионного пучка в такой ловушке должна генерироваться пространственно однородная плазма. Важным требованием к системе удержания является возможность извлечения значительной доли создаваемых в плазме ионов. В наибольшей степени всей совокупности требований в настоящее время отвечают системы с многополюсным магнитным полем [3], обеспечивающие более высокую эффективность извлечения ионов по сравнению с системами с электростатическим удержанием электронов в полом катоде [2] и не требующие, как в пеннинговских системах [4], принятия Рис. 1. Электродная система ионного источника: 1 —полый специальных мер по выравниванию плотности плазмы катод, 2 — поджигающий электрод, 3 —сетка, 4 —анодная в объеме. камера, 5 — экранная пластина, 6 — магниты.

7 98 Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких выходной апертуры полого катода, диаметр которой в Анализатор состоял из трех последовательно располоэкспериментах изменялся в пределах 5-20 mm, установ- женных сеток с размером ячейки 0.1 0.1mm и коллена электрически изолированная сетка из вольфрамо- лектора ионов. Первая сетка имела потенциал экранного вой проволоки, шаг ячейки которой в экспериментах электрода ионного источника, на вторую сетку подаменялся от 0.2 до 0.6 mm. Ионы извлекаются из плаз- валось ускоряющее напряжение, третья сетка являлась мы через 5 mm отверстия в экранном электроде двух- анализирующей. При изменении потенциала этой сетки от потенциала экранного электрода до потенциала, близэлектродной ионно-оптической системы, электрически соединенном с сеткой, или поступают на пластину, уста- кого к анодному, в цепи коллектора регистрировалась кривая задержки ионов. Как известно, производная от навливаемую вместо экранного электрода. Основными отличиями описываемой электродной системы от приве- кривой задержки представляет функцию распределения ионов по продольной составляющей энергии, а положеденной в [3] является использование во второй ступени ние максимума дифференциальной кривой соответствупостоянных магнитов с большим значением индукции на поверхности полюсов (0.15 T), а также установка маг- ет потенциалу плазмы [11]. Для повышения точности дифференцирования и упрощения процедуры измерений нитов на поверхности полого катода тлеющего разряда.

использовался метод электронного дифференцирования В экспериментах использовались магниты из самарийкривой задержки. Наряду с постоянным напряжением к кобальтового сплава КС37 размером 20 10 10 mm.

анализирующей сетке прикладывалось напряжение моМногополюсное магнитное поле [5] у поверхности анода дуляции ( 1V), а в цепи коллектора с помощью селексоздавалось 12 продольными рядами магнитов, на катоде тивного усилителя измерялась переменная составляюмагниты были установлены в 8 рядов. Многополюсное щая сигнала на частоте модуляция (2kHz). Электронное магнитное поле на катоде способствует уменьшению дифференцирование использовалось и для определения рабочего давления газа и снижению напряжения горения точки перегиба характеристики эмиссионного зонда, для тлеющего разряда с полым катодом [6]. В результате чего модулировался потенциал, подаваемый на зонд.

минимальное рабочее давление в вакуумной камере Постоянный потенциал зонда, при котором амплитуда при работе ионного источника удалось понизить до первой гармоники периодического сигнала в цепи зонда 5 · 10-3 Pa. Более сильное магнитное поле на аноде была максимальной, принимался за потенциал плазмы.

улучшает удержание быстрых электронов [7], что споТемпература электронов определялась по углу насобствует эффективной генерации ионов при низких клона линейного участка полулогарифмической харакдавлениях.

теристики холодного зонда. Для уменьшения влияния В катодную полость напускался газ (аргон), расход загрязнения поверхности зонда на результаты измерений которого регулировался в пределах 5-20 cm3/min. Тлеюв качестве „холодного“ зонда использовался накалищий разряд с полым катодом поджигался напряжениваемый зонд, температура которого не обеспечивала ем холостого хода источника PS1, которое составляэмиссию электронов.

ло 2.5 kV. Напряжение горения разряда с током 0.1-1A составляло 350-650 V. Отбор электронов из катодной плазмы, их ускорение в катодном слое, формирующемся Результаты и их обсуждение вблизи сетки, и извлечение ионов из анодной плазмы на пластину обеспечивал источник питания PS2, выСогласно проведенному в [12–14] анализу процессов ходное напряжение которого регулировалось в предев газоразрядной системе с магнитным мультиполем, лах 0-300 V.

зависимость отношения тока быстрых электронов к Параметры плазмы измерялись с помощью эмисситоку собираемых экранной пластиной ионов Ie/Ii от онного зонда [8], который представляет собой вольфравеличины, обратной давлению газа p, должна иметь мовую проволоку диаметром 30 µm и длиной 6-8 mm, вид прямой. Угол наклона этой прямой обратно проприваренную к токоподводам, проходящим через каналы порционален времени удержания быстрых электронов, в керамической трубке с наружным диаметром 5 mm.

а точка пересечения продолжения прямой с осью ордиВ экспериментах зонд устанавливался по оси системы нат определяется отношением полных потерь энергии на одинаковом расстоянии от экранного электрода и электронов в неупругих соударениях к затратам энергии сетки. Зонд нагревался постоянным током до темпераэлектронов на ионизацию газа. Общим для всех потур, обеспечивающих термоэмиссию электронов. При лученных экспериментальных результатов является то, токе эмиссии зонда 10 mA падение напряжения на что усиление магнитного поля привело к уменьшению зонде не превышало 0.5 V. Потенциал плазмы измерялся угла наклона зависимостей Ie/Ii, что свидетельствует в точке перегиба зондовой характеристики в режиме о лучшем удержании быстрых электронов, однако ход малой эмиссии зонда [9].

экспериментальных зависимостей в широком диапазоне Для контроля результатов измерения потенциала значений 1/p отличается от линейного.

плазмы и измерения разброса энергий ионов, извлека- На рис. 2, a показаны экспериментальные зависимоемых из плазмы, использовался многосеточный энер- сти отношения токов Ie/Ii, полученные при размере гоанализатор с тормозящим электрическим полем [10]. выходной апертуры полого катода 20 (кривые 1-3) и Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Характеристики ионного источника с плазменным катодом и многополюсной магнитной системой... (рис. 2, b) приводит к изменению угла наклона кривых и их смещению в направлении меньших значений Ie/Ii.

При невысокой энергии электронов (50 eV) эффективность извлечения ионов невелика, а в области больших давлений зависимость Ie/Ii имеет резко выраженный минимум.

Уменьшение размера выходной апертуры полого катода резко снижает эффективность извлечения ионов (рис. 2, a). Поскольку размер апертуры определяет величину давления газа в катодной полости при заданном газовом потоке, увеличение апертуры от 5 до 20 mm приводило к необходимости увеличения (на 50 V) напряжения между электродами катодной ступени источника для поддержания постоянства тока тлеющего разряда и тока эмиссии плазменного катода. Кроме того, существенное влияние на напряжение горения разряда в полым катодом оказывало соотношение площадей эффективной поверхности анода Sa, которым является сетка, и поверхности полого катода Sc. При увеличении отношения Sa/Sc свыше значения, соответствующего отношению (me/Mi)1/2, напряжение горения разряда возрастало в результате увеличения скорости потерь быстрых электронов в первой ступени разряда [15].

Здесь me, Mi — масса электрона и иона соответственно.

Следует отметить, что изменение напряжения между электродами второй ступени не изменяет условий горения тлеющего разряда с полым катодом в первой ступени источника, вольт-амперные характеристики которого приведены на рис. 3. При работе источника с малыми газовыми потоками и высоким напряжением горения тлеющего разряда наблюдался разогрев центральной области сетки до высоких температур, который мог приводить к оплавлению сеток из нержавеющей Рис. 2. Зависимости отношения тока быстрых электронов Ie к току ионов на экранную пластину Ii от величины, обратной стали. Причины этого явления будут исследоваться, давлению газа (аргон) в вакуумной камере. a — энергия однако можно предположить, что это является следбыстрых электронов 150 V, диаметр выходной апертуры полого ствием увеличения температуры электронов или появкатода 20 (1-3) и 5 mm (4-6), ток быстрых электронов ления анодного падения потенциала вследствие роста Ie = 0.6 (1, 6); 0.4 (2, 5); 0.2 (3, 4); b — диаметр выходной апертуры полого катода 20 mm, ток быстрых электронов Ie = 0.5 A, энергия быстрых электронов: 1 — 50, 2 — 100, 3 — 200 eV.

5mm (кривые 4-6). Отношение величин Ie/Ii, обратно пропорциональное эффективности извлечения ионов, монотонно уменьшается при увеличении давления, но при достижении давлений 5 · 10-2 Pa отношение токов начинает резко возрастать. Положение минимума кривых Ie/Ii зависит от величины тока плазменного катода, энергии электронов и размера катодной апертуры. Чем больше ток, тем меньше значение и ниже давление газа в минимуме кривых. Напротив, в области низких давлений (кривые 1-3) эффективность извлечения ионов возрастает с увеличением электронного тока.

Минимумы кривых 4-6 (на рис. 2, a не показаны) Рис. 3. Вольт-амперные характеристики тлеющего разряда с достигаются при более высоких давлениях, чем для полым катодом. Давление в вакуумной камере: 1 —8.0 · 10-2;

кривых 1-3. Увеличение энергии быстрых электронов 2 —5.3 · 10-2; 3 —2.7 · 10-2; 4 —0.8 · 10-2 Pa.

7 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 100 Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких Рис. 5. Зависимости электронной температуры kTe от тока Рис. 4. Зависимости потенциала плазмы p от тока разряда.

разряда. Давление в вакуумной камере: 1 —8.0 · 10-2; 2 — Давление в вакуумной камере: 1 —8.0 · 10-2; 2 —5.3 · 10-2;

5.3 · 10-2; 3 —2.7 · 10-2; 4 —0.8 · 10-2 Pa. Разность потен3 —2.7 · 10-2; 4 —0.8 · 10-2 Pa. Разность потенциалов между циалов между электродами второй ступени 150 V.

электродами второй ступени 150 V.

вдоль нити, амплитуды модулирующего напряжения и толщины катодного слоя и сокращения эффективной эффектов пространственного заряда, для ослабления площади анода в тлеющем разряде. Все приводимые в которых приходилось уменьшать отношение тока эмисдальнейшем результаты были получены в электродной сии нити к току насыщения электронов из плазмы и системе с 20 mm апертурой.

толщину накаливаемой нити [9]. Согласно проведенным Одним из основных факторов, определяющих эфоценкам, погрешность определения p в экспериментах фективность ионного источника, является потенциал составляла 1-2V.

плазмы p. При отрицательной относительно анода Из полученных результатов следует, что электровеличине p исключается уход ионов на анод, а также статическое удержание ионов в плазме второй стууменьшается начальная энергия быстрых электронов, пени ионного источника отсутствует, поэтому ионы, осциллирующих в свободной от магнитного поля плазсоздаваемые в разряде, уходят из плазмы на экранный ме. Ионный ток на анод при положительном потенциале электрод, сетку и на анод. Ионный ток в цепи анода плазмы зависит от электронной температуры Te, которая пропорционален площади потерь, величина которой в наряду с ионной температурой влияет на площадь условиях эсперимента составляла 30-40 cm2. Площадь потерь плазменных частиц вдоль линий возврата магповерхности пластины, соответствующая поперечным нитного поля. Согласно [7], эта площадь определяется размерам свободной от магнитного поля области плазпроизведением суммарной длины магнитных полюсов мы, была примерно вдвое больше. Площадь отверстия на величину гибридного гирорадиуса (re/ri)1/2, где в аноде напротив сетки составляла около 30 cm2. Таким re, ri — гирорадиусы плазменных электронов и ионов образом, ток извлекаемых на пластину ионов составляет соответственно. На рис. 4, 5 представлены зависимости в первом приближении около половины полного тока потенциала плазмы и электронной температуры от тока ионов, создаваемых в плазме.

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.