WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 9 04;10 Повышение эффективности ионного эмиттера на основе тлеющего разряда с осциллирующими электронами © Н.В. Гаврилов, Д.Р. Емлин Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: pulsar@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 25 июля 2002 г.) Исследовано влияние геометрии холодного полого катода на характеристики ионной эмиссии плазмы тлеющего разряда низкого ( 5 · 10-2 Pa) давления с осциллирующими в слабом ( 1mT) магнитном поле электронами. Показано, что использование в электродной системе обращенного магнетрона полого катода конической формы обеспечивает как увеличение доли извлекаемых из плазмы ионов до 20% от тока разряда, так и близкое к равномерному пространственное распределение плотности эмиссионного тока ионов. Результаты объясняются характером осцилляций ускоренных в катодном слое быстрых электронов, которые совершают замкнутый азимутальный дрейф в сочетании с движением вдоль магнитного поля в направлении плазменной эмиссионной поверхности. Приведены характеристики предназначенного для использования в ионном источнике с рабочим напряжением в десятки kV плазменного эмиттера ионов с плотностью тока 1mA/cm2 на площади 100 cm2.

Введение электронов в разрядном промежутке при этом изменяется в зависимости от используемой электродной Энергетическая цена иона w =(IdUd)/Ii в пучке системы. Если в системе типа обращенный магнетрон ионных источников на основе тлеющего разряда низ- быстрые электроны преимущественно совершают азикого давления с полым катодом намного выше, чем мутальный дрейф, то в отражательной системе (PIG) в источниках с термоэмиссионным катодом, и обычно преобладает осцилляция электронов между катодами вдоль магнитного поля. Использование в обращенном составляет несколько keV/ion. Это обусловлено низкой цилиндрическом магнетроне слабых ( 1mT) магнитэффективностью механизма ионно-электронной эмиссии ных полей, в которых ларморовский радиус быстрого холодного катода и соответственно высоким напряжениэлектрона сопоставим с размерами электродной сием горения разряда Ud, а также трудностями организастемы ( 0.1m), позволяет обеспечить равномерное ции отбора из плазмы значительной доли ионной комраспределение плотности тока ионов, извлекаемых из поненты тока разряда Ii/Id. Осцилляция эмиттироплазмы вдоль магнитного поля [3]. Однако эффективванных катодом и ускоренных в катодном слое разряда ность извлечения ионов в такой системе из-за больбыстрых электронов в катодной полости обеспечивает шой площади цилиндрической части поверхности катода достаточно равномерное распределение тока разряда по обычно не превышает 10%. Геометрия отражательной поверхности полого катода, поэтому отношение тока системы обеспечивает возможность увеличения соотионов, извлекаемых из плазмы, к току разряда обычношения между площадью эмиссионной поверхности но примерно равно отношению площади эмиссионной плазмы и общей площадью двух плоских катодовповерхности плазмы Se к общей площади поверхности отражателей. Для того чтобы ограничить скорость ухода катода Sc. В разрядной системе с полым катодом, быстрых электронов на анод большого размера, в таимеющим близкую к конической форму, при которой кой системе приходится использовать более сильные, достигаются большие значения отношения Se/Sc, были чем в обращенном магнетроне, магнитные поля, что получены значения = 13% [1].

приводит к значительной радиальной неоднородности Минимальные значения напряжения горения разряда плазмы. Согласно [4], близкое к равномерному расс полым катодом при заданных значениях тока разряпределение плотности тока эмиссии ионов и высокая да Id и давления газа также достигаются оптимизацией эффективность извлечения ионов (до 30%) могут быть геометрии электродной системы. При выполнении сополучены в модифицированной отражательной системе отношения между площадью поверхности анода и кас неэквипотенциальным катодом. Однако использоватода Sa/Sc (m/M)1/2, где m, M — масса электрона ние магнитных полей 5-10 mT ограничивает рабочее и иона соответственно, обеспечиваются максимальная напряжение такого источника, способствуя зажиганию энергетическая релаксация быстрых элетронов в плазме разряда в скрещенных электрическом и магнитном пои замыкание тока электронов на анод без образования лях в высоковольтном промежутке между коаксиальныслоя отрицательного пространственного заряда [2].

ми электродами. Поэтому представляет интерес поиск Наложение магнитного поля позволяет повысить ток методов повышения эффективности извлечения ионов разряда или уменьшить напряжение его горения при из плазмы тлеющего разряда с использованием слабых низких давлениях газа. Характер осцилляций быстрых магнитных полей.

108 Н.В. Гаврилов, Д.Р. Емлин Использование электродной системы в магнитном поле, в которой угол между электрическим полем E в катодном слое тлеющего разряда и внешним магнитным полем B составляет 0 <

В настоящей работе представлены результаты исследования свойств плазменно-эмиссионной системы на основе тлеющего разряда в электродной системе об- Рис. 2. Эмиссионные характеристики ионного источника с цилиндрическим (1, 2) и коническим (3, 4) полым катодом ращенного магнетрона с катодом конической формы, тлеющего разряда. Расход газа 30 (1, 2) и 40 cm3/ min (3, 4).

проведенных с целью повышения доли извлекаемых из Магнитная индукция B = 2 (1, 2) и 1.5 mT (3, 4). Ускоряющее плазмы разряда ионов и энергетической эффективности напряжение 30 (1, 3) и 20 kV(2, 4).

ионного эмиттера данного типа.

Эксперимент составляла Se = 70 cm2. Общая площадь внутренней поверхности цилиндрического полого катода составляла В качестве базовой в экспериментах использовалась Sc = 1080 cm2. Рабочий газ (аргон) напускался непосредэлектродная система ионного источника [5] (рис. 1), ственно в катодную полость.

включающая полый цилиндрический катод из нержавеДля получения воспроизводимых вольт-амперных хающей стали, диаметр D и длина L которого составляли рактеристик разряда поверхность катода предваритель150 mm, и расположенный на оси катода стержневой но подвергалась длительному ( 1/2h) кондиционивольфрамовый анод диаметром 4 mm и длиной 100 mm.

рованию ионным распылением в разряде до получеМагнитное поле в системе создавалось соленоидом, ния установившихся значений Ud. Напряжение горения расположенным снаружи заземленного корпуса источниразряда при минимальных значениях газового потока ка ионов. Указываемые в тексте значения индукции B Q 40 cm3/min и магнитной индукции B 1 mT, обесизмерялись на оси системы в плоскости соленоида.

печивающих поддержание разряда с током Id 0.5A, Для извлечения ионов и отсечки вторичных электронов составляло 1 kV. Необходимость использования малых использовалась двухэлектродная ионно-оптическая сигазовых потоков Q и слабых полей B для обеспечения стема, в каждом из электродов которой было выполнено электрической прочности ускоряющего промежутка вы61 отверстие 12 mm, суммарная площадь которых соковольтного ионного источника также является одной из причин невысокой энергетической эффективности высоковольтных ионных источников данного типа. Эмиссионные характеристики источника ионов, полученные при постоянных для каждой кривой значениях ускоряющего напряжения, представлены на рис. 2 (кривые 1, 2). Линейный характер полученных зависимостей свидетельствует о малых потерях пучка на ускоряющем электроде многоапертурной ионной оптики, что подтверждается прямыми измерениями тока в цепи этого электрода, который включает не только ток потерь ускоренных ионов, но и обусловленный ионно-электронной эмиссией ток вторичных электронов, а также ток ионов из пучковой плазмы. Проведенные оценки показали, что погрешность использовавшихся в эксперименте измерений тока ионРис. 1. Схема электродной системы типа обращенный магненого пучка Ii по току в цепи высоковольтного источника трон: 1 — цилиндрический полый катод, 2 — стержневой анод, питания составляет 10%. Эффективность извлечения 3 — перфорированный экранный электрод ионной оптики, 4 — конический полый катод, 5 — магнитная катушка. ионов из плазмы, оцененная из отношения тока Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Повышение эффективности ионного эмиттера на основе тлеющего разряда... пучка к току разряда, для цилиндрического магнетрона составила 7-7.5%, что приблизительно соответствует величине отношения Se/Sc.

Затем внутри полого катодного цилиндра был установлен тонкостенный (0.3 mm) усеченный конус (рис. 1) из нержавеющей стали, диаметр основания которого D был также равен 150 mm, а диаметр d сечения конуса был равен 50 mm. Использование конического катода с меньшей Sc привело к существенному росту напряжения горения разряда ( 1.5 раз) при тех же значениях потока Q и индукции B. Дальнейшее изменение электродной системы заключалось в оптимизации размеров стержневого анода. Экспериментально были подобраны длина и диаметр анода (d = 1 mm, l = 50 mm), при которых удалось получить минимальные рабочие значения B0 и Q0. Соотношение площадей поверхности анода и катода Sa/Sc в этом случае с учетом площади Рис. 4. Зависимости напряжения горения разряда от магнитотверстия в торце катода, сквозь которое анод вводится ного поля в отсутствие потерь электронов через отверстия в катодную полость, составило 1/300, что близко ионной оптики. Ток разряда 0.2 A. Расход газа, cm3/ min: 20 (1), к величине отношения (m/M)1/2 для аргона. На рис. 30 (2), 40 (3).

(кривые 1, 3, 5) приведены вольт-амперные характеристики разряда при различных сочетаниях величин B и Q.

В результате оптимизации размеров анода в модифицированной электродной системе с катодом конической тока разряда различия в ходе вольт-амперных характеформы удалось обеспечить примерно те же условия гористик возрастают. На рис. 4 приведены характеристирения разряда с током 0.1-0.5A (Q = 20-40 cm3/min, ки, иллюстрирующие зависимость напряжения горения B = 0-4mT), что и цилиндрическом магнетроне.

разряда в коническом магнетроне от газовых условий Эксперименты показали, что в режиме генерации и величины магнитного поля в режиме отбора ионов.

ионного пучка вольт-амперные характристики разряда Немонотонный характер зависимостей Ud(B) не наблюсущественно отличаются от полученных при плавающих дался в системе с анодом, размеры которого превышали относительно потенциала Земли потенциалах электрооптимальную величину. Из приведенных на рис. 3 и дов разрядной системы. Как следует из рис. 3 (крирезультатов следует, что основным путем поддержания вые 2, 4, 6), приложение напряжения к ускоряющему приемлемых значений энергетической эффективности промежутку ионной оптики приводит к существенному = /Ud ионного эмиттера высоковольтного ионного (на 100–300 V) снижению величин Ud. С увеличением источника в условиях резкого роста напряжения горения разряда Ud при уменьшении значений Q и B является повышение эффективности извлечения ионов из плазмы.

Эмиссионные характеристики ионного источника с коническим катодом показаны на рис. 2 (кривые 3, 4).

Эффективность извлечения ионов в системе с коническим катодом возросла до 14–21%, причем значения уменьшаются по мере роста B и увеличиваются при повышении ускоряющего напряжения (рис. 5).

Для оценки степени однородности ионной эмиссии плазмы в разрядной системе с коническим катодом были проведены измерения радиального распределения плотности тока пучка в его поперечном сечении на расстоянии 250 mm от ионного источника, которые показали, что в диапазоне значений плотности тока пучка 0.1-0.5mA/cm2 при изменении ускоряющего напряжения в пределах 10–30 kV неравномерность распределения не превышает 20% в центральной части пучка диаметром 8 cm. Поскольку характер распределения тока в пучке зависит также от угловой расходимости Рис. 3. Вольт-амперные характеристики разряда с коническим пучка большого сечения и расстояния до плоскости, полым катодом. Расход газа 15 (1–4), 40 cm3/ min (5, 6). Магв которой проводятся измерения [6], были измерены нитная индукция B, mT: 1 (1, 2), 3 (3, 4) и 0 (5, 6). Ускоряющее напряжение, kV: 30 (2, 4, 6), 0 (1, 3, 5). распределения тока разряда в плоскости экранного Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 110 Н.В. Гаврилов, Д.Р. Емлин Обсуждение Поскольку общая площадь конического катода в экспериментах составила 0.6 от площади цилиндрического катода, соответствующая оценка эффективности извлечения ионов из отношения площадей Se/Sc дает значения 13%, т. е. вклад геометрического фактора в приращение составляет 5.5-6% от тока разряда.

Такое же значение = 13% было получено в системе с коническим полым катодом без магнитного поля [1].

Следовательно, можно утверждать, что дополнительный вклад в полученные значения 14-21%, составляющий 1–8% от тока разряда, обусловлен изменением характера осцилляций быстрых электронов и распределения тока разряда по катоду. Создание в коническом магнетроне потока быстрых электронов в направлении эмиссионной поверхности плазмы способствует повышению частоты ионизации газа в этой области, что приводит к соответствующему росту тока эмиссии ионов.

Рис. 5. Зависимости эффективности извлечения ионов из плазмы разряда от магнитного поля. Ток разряда 0.2 A, расход Следует отметить, что перенос быстрых электронов газа 30 cm3/ min. Ускоряющее напряжение, kV: 30 (1), 20 (2), в направлении эмиссионной поверхности плазмы име15 (3).

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.