WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 6 04;10;12 Особенности формирования узкосфокусированных электронных пучков, генерируемых источником с плазменным катодом в форвакуумном диапазоне давлений © И.С. Жирков, В.А. Бурдовицин, Е.М. Окс, И.В. Осипов Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050 Томск, Россия e-mail: burdov@fet.tusur.ru (Поступило в Редакцию 28 сентября 2005 г.) Представлены результаты экспериментального исследования формирования сфокусированного электронного пучка при отборе электронов из плазмы стационарного разряда с полым катодом в форвакуумной области давлений. На основании измерений энергетического спектра и диаметра электронного пучка, а также параметров и спектров излучения плазмы, возникающей при взаимодействии пучка с газом, сделан вывод о возникновении пучково-плазменного разряда, вызывающего ухудшение условий фокусировки пучка.

Минимальная плотность тока в пучке, при которой появляется пучково-плазменный разряд, возрастает как с подъемом ускоряющего напряжения, так и с увеличением давления газа.

PACS: 41.75.Fr Введение Техника эксперимента Способность к генерации электронных пучков в обЭксперимент проводился с использованием плазменласти давлений, на один-два порядка превышающих ного источника электронов, специально созданного для диапазон рабочих давлений термокатодных пушек, деработы в форвакуумной области давлений [10] (рис. 1).

лает плазменные источники сфокусированных электронДля генерации плазмы в устройстве используется разряд ных пучков привлекательными для использования в с полым катодом 1. Отбор электронов из плазмы 2 технологических процессах электронно-лучевой плавки, осуществляется вдоль оси системы через центральное сварки и размерной обработки [1]. Это обстоятельство отверствие в аноде 3. Стабильное функционирование обусловлено отсутствием в плазменных источниках наисточника при повышенных давлениях обеспечивается каленных до термоэмиссионных температур электродов.

более сильной экранировкой области генерации плазмы Эффективное функционирование плазменных катодов от ускоряющего поля и использованием в устройстве при повышенных давлениях обеспечивает расширение круга технологических операций, в которых может быть использован электронный пучок [2]. Вместе с тем повышенное давление увеличивает вероятность пробоя ускоряющего промежутка [3], что накладывает ограничения на максимально допустимое ускоряющее напряжение.

Очевидно, что увеличение мощности пучка может быть обеспечено увеличением тока. Однако на этом пути существуют ограничения, связанные с взаимодействием электронного пучка с газом [4,5].

Ранее [6,7] была показана возможность расширения рабочего диапазона давлений электронных источников с плазменным катодом в так называемую форвакуумную область, которая достигается использованием только механических средств откачки. На основании проведенных исследований созданы плазменные источники электронов, обеспечивающие стабильную генерацию аксиальносимметричных и ленточных пучков с током уровня 1 A, энергией порядка 10 kV при давлениях газа вплоть до 10 Pa [8,9]. Задачей исследований, результаты которых приведены в настоящей статье, являлось изучение особенностей формирования в этих условиях узкосфокусированных электронных пучков. Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Особенности формирования узкосфокусированных электронных пучков... Рис. 2. Спектр свечения пучковой плазмы для токов пучка 20 (a) и 60 mA (b). Газ — аргон, давление 3 Pa, ускоряющее напряжение 5 kV.

особой конструкции высоковольтного изолятора [11], ния плазмы в области распространения пучка применязатрудняющей возникновение так называемого пери- ется оптический спектрометр USB 2000 Ocean Optics, сигнал к которому передается по световоду. Концентраферийного пробоя. Плазменный источник электронов ция и температура электронов в плазме определялись размещен на фланце вакуумной камеры. Для формис помощью двойного ленгмюровского зонда. Только рования и фокусировки электронного пучка 4 служат механический форвакуумный насос использовался для ускоряющий электрод 5 и магнитная линза 6. Энергия откачки камеры, газовой средой являлась ее остаточная электронов пучка определяется электростатическим анализатором 7. В качестве анализатора использовался 127 атмосфера. Для оптических измерений использовался аргон.

цилиндрический конденсатор Юза-Рожанского [12], изготовленный по чертежам, любезно предоставленный др. Р. Холлингером (R. Hollinger) [13] из Ускорительного Результаты эксперимента центра GSI (Дармштадт, Германия), в рамках программы и их обсуждение совместного российско-германского научного сотрудничества. Использование этого типа анализатора вместо Визуальные наблюдения показали, что при превыанализаторов с задерживающим потенциалом позволило шении током пучка некоторого порогового значения в избежать высоких напряжений в аналитической части области фокуса возникает яркое белое свечение, в то установки. Диаметр пучка измерялся методом вращаювремя как остальная траектория пучка имеет фиолещегося зонда [14]. Зонд 8, выполненный из вольфрамо- товую окраску. При этом свечение плазмы в видимой вой проволоки диаметром 0.2 mm, вращаясь, пересекает области обогащается линиями с низким энергетическим электронный пучок. Возникающий при этом сигнал фик- порогом возбуждения (рис. 2), а энергетический спектр сируется осциллографом. Для измерения спектра свече- пучка расширяется (рис. 3). Диаметр пучка в фокальной Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 108 И.С. Жирков, В.А. Бурдовицин, Е.М. Окс, И.В. Осипов Рис. 6. Зависимость температуры Te плазменных электронов Рис. 3. Функция распределения электронов по энергии для от тока Ib пучка. Параметры те же, что и на рис. 1.

различных токов пучка: кривая 1 — 30; 2 — 42; 3 —64 mA (ускоряющее напряжение 4 kV, давление 3 Pa).

плоскости также возрастает с увеличением тока пучка (рис. 4). Обратим внимание на тот факт, что начиная с некоторого порогового значения тока электронного пучка наблюдается резкий рост концентрации пучковой плазмы (рис. 5) и температуры плазменных электронов (рис. 6).

В предположении парного характера взаимодействия электронов пучка с газом уравнение баланса ионов в простейшем одномерном приближении может быть записано в виде j r2 = 2rniv, (1) e где j — плотность тока пучка, r — радиус пучка, — ионизационная длина свободного пробега электронов, ni — концентрация ионов, v — тепловая скорость ионов.

Полученная из этого уравнения зависимость ni от тока Рис. 4. Зависимость диаметра d пучка от его тока Ib.

пучка является линейной при условии постоянства r Параметры те же, что и на рис. 1.

(рис. 5). Резкое отличие экспериментальной зависимости от расчетной указывает, по нашему мнению, на изменение характера взаимодействия электронного пучка с плазмой при достижении порогового значения тока пучка. Это отличие, наряду со скачкообразными измерениями спектра свечения (рис. 2), функции распределения электронов пучка по энергии (рис. 3), температуры плазменных электронов (рис. 6), позволили прийти к выводу о коллективном характере взаимодействия пучка с плазмой и возникновении плазменно-пучкового разряда (ППР) [15]. Минимальный ток электронного пучка, необходимый для возникновения ППР возрастает как с ростом ускоряющего напряжения, так и с увеличением давления газа (рис. 7).

Пороговая плотность тока может быть рассчитана на основе критерия возникновения ППР в виде [15]:

ne 1/ = 5ven, (2) Рис. 5. Концентрация ni пучковой плазмы как функция тока Ib ni пучка: кривая 1 —расчет, 2 — эксперимент. Параметры те же, где — плазменная частота электронов плазмы, ne и что и на рис. 1.

ni — концентрация электронов в пучке и плазмы соЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Особенности формирования узкосфокусированных электронных пучков... сечение столкновений электронов с нейтралами, Nn — концентрация нейтралов, U — ускоряющее напряжение, и подставляя их в (2), получаем после несложных преобразований выражение для пороговой плотности тока 1/6 1/ kT mj = 25 2 v2 0 U1/3. (4) en M reРасчетные кривые (рис. 8) совпадают по форме с экспериментальными зависимостями, что, по нашему мнению, также подтверждает появление ППР в условиях эксперимента. Различия в абсолютных значениях плотности тока могут быть обусловлены как простотой предложенной физической модели, так и усреднением Рис. 7. Пороговая плотность тока электронного пучка jb как плотности тока по сечению пучка при ее измерениях.

функция ускоряющего напряжения U для различных давлений Выражение (4) позволяет проанализировать связь межгаза: кривая 1 —2, 2 —3, 3 —4 Pa.

ду j и параметрами эксперимента. В частности, из (4) следует, что пороговая плотность тока возрастает с увеличением давления газа и ускоряющего напряжения, как и наблюдается в эксперименте.

Заключение Одна из особенностей формирования сфокусированного электронного пучка в области повышенных (форвакуумных) давлений состоит в том, что при превышении плотностью тока некоторого порогового значения возникает пучково-плазменный разряд в районе фокальной плоскости. Это обстоятельство расширяет энергетический спектр пучка и приводит к дополнительному рассеянию электронов. Результатом оказывается скачкообразное возрастание диаметра пучка, т. е. снижение плотности тока. Вместе с тем увеличение ускоряющего Рис. 8. Расчетные зависимости пороговой плотности тока напряжения позволяет повысить пороговые значения jb от ускоряющего напряжения U для разных давлений газа:

плотности тока до значений, приемлемых для исполькривая 1 —3, 2 —5, 3 —7 Pa.

зования в технологиях обработки материалов.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 05-02-98000-р_обь_а.

ответственно, ven — частота столкновения плазменных электронов с нейтралами.

Для того чтобы воспользоваться этим критерием, Список литературы рассмотрим токи ниже пороговых. Очевидно, что в этом случае ионизация газа электронным пучком происходит [1] Окс Е.М. Источники электронов с плазменным катодом.

Томск, 2005. 212 с.

в результате парных столкновений, и в качестве урав[2] Белюк С.И., Крейндель Ю.Е., Ремпе Н.Г. и др. // Автоманения баланса ионов может быть вновь использовано тическая сварка. 1979. № 3. С. 61.

выражение (1). Принимая, что тепловая скороcть ионов [3] Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Окс Е.М. и др. // 8kT равна, из (1) получаем ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 2. С. 48–50.

M [4] Абромян Е.А., Альтеркоп Б.А., Кулешов Г.Д. Интенсивные электронные пучки. М., 1983. 231 с.

4r j M ni =. (3) [5] Груздев В.А., Крейндель Ю.Е., Ларин Ю.М. // ТВТ. 1973.

e2 8kT Т. 11. № 3. С. 482–486.

Используя выражения для концентрации электронов [6] Белюк С.И., Крейндель Ю.Е., Ремпе Н.Г. // ЖТФ. 1980.

j m Т. 50. Вып. 1. С. 203–205.

в пучке ne =, плазменной частоты электронов e 2eU [7] Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Окс Е.М. и др. // Изв.

e2ni = и частоты столкновений плазменных электро0m вузов. Физика. 2001. № 9. С. 85–89.

нов с нейтралами ven = enepNn, где ep —тепловая [8] Burdovitsin V., Oks E. // Rev. Sci. Instrum. 1999. Vol. 70. N 7.

скорость плазменных электронов, en — эффективное P. 2975–2978.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 110 И.С. Жирков, В.А. Бурдовицин, Е.М. Окс, И.В. Осипов [9] Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Окс Е.М. и др. // ПТЭ. 2003. № 2. С. 127–129.

[10] Burdovitsin V., Zhurkov I., Oks E. et al. // Proc. of 13th Int.

Symp. on High Current Electronics. Tomsk, 2004. P. 68–69.

[11] Бурдовицин В.А., Жирков И.С., Окс Е.М. и др. // ПТЭ.

2005. № 6. С. 1–3.

[12] Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические анализаторы для пучков заряженных частиц. М., 1978. 215 с.

[13] Galonska M., Hollinger R., Spaedtke P. // Rev. Sci. Instrum.

2004. Vol. 75. N 5. P. 1592–1594.

[14] Белок С.И., Крейндель Ю.Е., Ремпе Н.Г. и др. // Источники электронов с плазменным эмиттером. Новосибирск, 1983. С. 80–91.

[15] Иванов А.А., Лейман В.Г. // Физика плазмы. 1977. № 3.

С. 780.

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.