WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 2 Краткие сообщения 04 Исследование временных характеристик потока ионов из катодной области вакуумной дуги © И.Л. Музюкин Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: im@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 16 марта 2005 г.) Проводились временные измерения потока ионов из области вакуумной дуги с использованием одно канального электростатического энергоанализатора, совмещенного с времяпролетным масс-анализатором.

В результате выявлены следующие особенности ионного потока: ионный поток представляет собой последовательность интенсивных пучков, зарядовый состав потока сильно меняется от выброса к выбросу, наибольший всплеск соответствует окончанию действия дуги.

PACS: 41.75.-i Введение Экспериментальная установка Расположение электродов и схемы питания разряда Основными характеристиками ионного потока из капредставлена на рис. 1. Катод K представлял собой тодной области вакуумной дуги до сих пор считались молибденовую пластину шириной 2 mm, анод A из форма и среднее значение энергетического распредепроволоки диаметром 0.05 mm располагался над плосления для разных зарядовых составляющих потока, а костью катода и представлял собой полупетлю диатакже соотношение общего тока ионов к току разряда.

метром 1 mm. Поджигающий острийный молибденовый Работы [1,2] позволяют с высокой степенью уверенности электрод T подводился к поверхности катода к точке, утверждать, что общий вид распределений ионов и находящейся под центром анодной полупетли. В касредние энергии хорошо известны для разных типов честве источника питания дуги использовалась длинматериалов.

ная LC-линия (12 элементов, L = 6 µHn, C = 100 pF) (рис. 1). Линия формировала импульс напряжения длиОсновные выводы, которые можно сделать из предытельностью 2 µs. Заряд линии осуществлялся через содущих работ следующие.

1. Существуют ионы, двигающиеся из области катодного пятна против электрического поля с энергиями, существенно превышающими падение напряжения на разряде.

2. Энергетическое распределение имеет колоколообразную форму, причем ширина распределения составляет десятки электрон-вольт. Распределения для различных зарядовых фракций различаются по среднему значению энергии, амплитуде и ширине, причем чаще всего наблюдается зависимость среднего значения энергии от заряда ионной фракции. На данный момент считается, что эти основные характеристики уже достаточно хорошо изучены.

Однако следует отметить, что все предыдущие исследования проделаны с большим временем измерения — порядка 5 ms [1,2]. Таким образом, быстрые процессы оказались неисследованными. Данное исследование представляет собой попытку определить временной ха рактер ионного потока из катодной области вакуумной Рис. 1. Расположение электродов и схема питания дуги (1 — анализатор, 2 — к осциллографу).

дуги.

Исследование временных характеристик потока ионов из катодной области вакуумной дуги входной узел 1 попадают в входную щель анализатора в нижней пластине. В выходную щель анализатора попадают только частицы со значением E/Z = 1.4(Uu - U1).

Частицы с E/Z, отличным от значения настройки, либо попадают на нижнюю пластину 2, либо собираются коллектором 4. Пройдя выходную щель, ионы попадают в пролетную трубу 5 и детектор частиц 6. Сигнал с детектора частиц 6 записывается цифровым осциллографом 7 и в дальнейшем обрабатывался системой автоматического сбора и обработки сигналов на компьютере 8.

Во время пролета от источника плазмы до детектора частицы разделяются по значениям M/Z. Таким образом, сигнал на выходе детектора частиц представлял собой последовательность сигналов от трехкратно, двукратно и однократно заряженных ионов (рис. 3). Калибровка системы по времени пролета производилась путем подачи кратковременного (200 ns) импульса тока. Сигнал с детектора представлял собой последовательность узких пиков, отмечающих время пролета каждой фракции в сиРис. 2. Схема энергомасс анализатора.

стеме камера–конденсатор–пролетная труба. Время пролета частицы с массой M, энергией E и зарядомZ опре деляется соотношением t = a ME/Z. Исходя из этого соотношения калибровочный параметр a выбирался так, чтобы начало сигнала любой ионной фракции совпадало или отставало от момента начала горения дуги. Эта процедура проводилась для каждого значения настройки анализатора E/Z. Временное разрешение системы ре гистрации 300–60 ns. Использовались два варианта детектора ионов с резистивной нагрузкой Rs = 20 и 5 k.

В случае с большим сопротивлением сигнал ионного потока имел достаточно хорошую интенсивность, но плохие временные характеристики. В случае же с малым сопротивлением временное разрешение составило 60 ns, но уровень сигнала находился почти на уровне шумов.

Режим быстрого детектора использовался в основном Рис. 3. Осциллограмма тока дуги и ионного потока E/Z = 42 eV.

противление Rc = 1k. Дуга питалась через ограничительный резистор Rr = 1. Длительность фронтов 300 ns. Дуга инициировалась поджигающим электродом, на который подавался импульс напряжения 20 kV длительностью 200 ns. Ток дуги составлял 30 A. Ток дуги измерялся шунтом Rs = 0.1. Исследования проводились в вакууме 10-4 Pa. Откачка проводилась паромасленным насосом с азотной ловушкой.

Для исследований временного характера ионного по тока использовался одноканальный энергоанализатор, совмещенный с времяпролетным масс-анализатором (рис. 2). Энергоанализатор состоит из входного узла 1, электростатического конденсатора с обкладками 2 и 3, Рис. 4. Осциллограмма тока дуги и потока ионов при коллектора частиц с высокими энергиями 4. Ионы через использовании медленной цепи регистрации.

9 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 130 И.Л. Музюкин для иллюстрации пичкового характера потока ионов.

Используя значения пролетного времени для каждой ионной фракции, можно сопоставить сигналы ионного потока с сигналом тока дуги. Типичное сопоставление сигналов ионного потока и тока дуги представлено на рис. 4. Измерения проводились для значения E/Z от до 80 eV.

Результаты экспериментов Типичная осциллограмма показана на рис. 4. Осциллограмма a получена с применением медленной системы регистрации, в результате чего пики ионного потока сливаются, формируя постоянный сигнал. На осциллограмме, полученной с помощью быстрой системы регистрации (рис. 5), явственно виден „пичковый“ характер потока ионов. При использовании быстрой системы регистрации видно отсутствие постоянного сигРис. 6. Осциллограмма тока дуги и потока ионов при нала ионов. Такая картина наблюдается для разных знакоротком импульсе тока.

чений E/Z. Следующей особенностью ионного потока можно считать непостоянcтво зарядового распределения ионного потока для энергии настройки — доли ионных фракций меняются от всплеска к всплеску. Это может Обсуждение результатов говорить как об изменении зарядового состава плазмы, так и о неоднородном изменении энергетического Предыдущие временные исследования ионного потока распределения разных зарядовых фракций. Одной из в основном касались измерений общего тока ионов, важных особенностей ионного потока является наличие исходящих из катодной области дуги. Эти исследования на многих осциллограммах мощного всплеска в конце имели следующие недостатки. Так как ионный поток импульса тока. Этот всплеск часто самый сильный среди составляют ионы разных зарядов и энергий, то вревсех во время горения дуги и состоит в основном из менное разрешение таких экспериментов определяет однозарядных ионов. Замечено также появление ионных ся разностью времен пролета самых быстрых ионных всплесков после окончания действия импульса тока фракций и самых медленных из точки ускорения до (рис. 4). Особенно отчетливо этот эффект проявляется детектора частиц. При характерных размерах установки на калибровочных импульсах (рис. 6). Сигнал ионного в несколько сантиметров временное разрешение не потока для разных фракций гораздо более продолжитеможет быть лучше нескольких микросекунд. В таких лен, чем токовый импульс.

измерениях невозможно выделить ионы разных фракций.

В нашем случае при выделении только одной энергии возможно прямое сопоставление сигнала с детектора с временем ускорения ионов для разных зарядовых фракций. При этом временное разрешение определяется только характеристиками детектора ионов. Основным недостатком можно считать измерение только одной энергии ионов. Такое измерение не дает составить представление об измерении энергетического состава ионов во время горения дуги. Пичковый характер сигнала ионного катода, снимаемого с детектора ионов, можно было бы объяснить геометрическими особенностями расположения источника ионов и входного узла анализатора. Рваный характер потока может получаться по следующим причинам: 1) ионный поток может выбрасываться из катодной области в узком телесном угле и ионы могут попасть в анализатор только в случае попадания струи прямо во входной узел, 2) катодное пятно может уйти в тень за поджигающий электрод или боковую поверхность катода. Измеренные ранее [3] Рис. 5. Осциллограмма тока дуги и потока ионов при использовании скоростной цепи регистрации. усредненные по времени угловые распределения интенЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Исследование временных характеристик потока ионов из катодной области вакуумной дуги сивности потока ионов не могут быть рассмотрены как выбросов, характерные времена следования импульсов опровержения гипотезы об ионных струях. Широкое составляют 200–500 ns; зарядовый состав меняется от угловое распределение может формироваться усредне- выброса к выбросу; замечен сильный выброс малозаряднием во времени разнонаправленных ионных струй. Но ных ионов на обрыве тока дуги; ионы могут ускоряться в данный момент не существует ни экспериментального после окончания действия тока.

подтверждения существования ионных струй, ни теоРабота выполнена при поддержке РФФИ (гранты ретических моделей, объясняющих их существование.

№ 05-02-17612 и 05-02-17650).

Кроме того, калибровочные измерения показывают, что ионный поток попадает в анализатор даже при очень Список литературы коротких (200 ns) импульсах тока, причем при каждом измерении присутствуют все основные фракции. Следо[1] Miller H.G. // J. Appl. Phys. Vol. 43. N 5. May 1972.

вательно, можно утверждать, что пичковый характер по[2] Плютто А.А., Рыжков В.Н., Капин А.Т. // ЖЭТФ. 1964.

тока ионов — характеристика самого дугового разряда.

Т. 47. Вып. 8. С. 494–507.

Присутствие мощного выброса ионного потока при [3] Aksenov I.I., Khoroshikh V.M. // Proc. XVIII ISDEIV.

окончании горения разряда заметил еще Миллер [1].

Eindhoven, 1998. P. 211–214.

В своей статье он указал на то, что этот выброс обычно [4] Ivanov V.A., Juttner B., Anders S. et al. On the Energy of даже более сильный, чем весь предыдущий сигнал Electrons and Ions of a Pulsed Metal Vapour Arc in Vacuum.

потока. Наши исследования полностью подтверждают 1980. P. 21–26.

наличие такого выброса, причем наличие подавляющего [5] Muzukin I.L., Mourzakaev A.M. // Abstracts of the XVIIIth ISDEIV. 1998. P. 306–309.

количества однократно ионизованных ионов говорит о [6] Smeets R. Low-current Behaviour and Current Chopping of существенно измененном к этому времени ионизационVacuum arcs ISBN. P. 66–73.

ном составе.

Калибровочные изменения, а также некоторые измерения с длинным импульсом свидетельствуют о наличии ускорения ионов уже после окончания действия импульса тока. Даже если во время калибровки была допущена ошибка и сигнал ионного потока смещен в сторону запаздывания, ширина сигнала потока для разных ионных фракций много больше, чем импульс тока для калибровочных измерений. Этот результат можно соотнести с мощным импульсом при окончании действия тока.

Эти результаты ставят под сомнение гидродинамическое ускорения ионов в области высоких плотностей плазмы в катодном пятне. Ранее [2] была высказана гипотеза об ускорении ионов в области немонотонного распределения потенциала — „горба потенциала“. Необходимо при этом отметить наличие потока ускоренных электронов из области катодного пятна [4]. Средняя энергия электронов составляет 70–90 eV. Ускорение электронов не может быть объяснено ни гидродинамической моделью, ни „горбом потенциала“. С другой стороны, турбулентные процессы в плазме могут одновременно приводить к ускорению ионов и электронов. Кроме того, развитие плазменных турбулентностей приводит к уменьшению общей проводимости плазмы и, как следствие, к падению тока. Исследования [5,6] подтверждают корреляцию локальных падений тока и всплесков ионного потока. Все вместе эти экспериментальные факты делают плазменную турбулентность одним из вероятных механизмов ускорения ионов в вакуумной дуге.

Заключение В результате исследований были выявлены следующие особенности потока ионов из вакуумной дуги: ионный поток состоит из последовательности интенсивных 9 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.