Плазмогенератор для биполярной электронно-оптической системы | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/199

Плазмогенератор для биполярной электронно-оптической системы

Приводятся результаты экспериментальных исследований импульсного генератора плазмы с полым катодом, разрабатываемого для биполярной электронно-оптической системы с открытой плазменной границей. Компоновка плазмогенератора включает два модифицированных кольцевых плазменных ускорителя с анодным слоем. Устройство может работать в слаботочном высоковольтном и в сильноточном «плазменном» режимах. Основное внимание уделено сильноточному режиму работы, который подобен тлеющему разряду с положительным столбом. Установлено, что в определенных экспериментальных условиях наряду с разрядом с замкнутым дрейфом электронов возможно зажигание дополнительных несамостоятельных разрядов с полым катодом и осциллирующими электронами, что приводит к существенному снижению напряжения горения инициирующего разряда. В этих условиях измерены вольт-амперные характеристики сильноточного разряда. С использованием метода двойных зондов проведены измерения локальных параметров плазмы и их пространственное распределение в разрядной области. Максимальная концентрация плазмы на оси плазмогенератора составила (6.5-6.8)×1012 см-3.

Plasma generator for a bipolar electron-optic system.pdf Введение Импульсные генераторы плазмы на основе конфигурации разрядной системы плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов с короткой протяженностью зоны ускорения используются в бессеточных ионных источниках, формирующих кольцевые ионные пучки [1]. Короткая зона ускорения, сформированная вблизи анода, получила название анодного слоя. Такие ионные источники применяются для чистовой обработки поверхностей, травления полимеров, формирования различных покрытий, например, таких, как алмазоподобные углеродные пленки. Благодаря компенсации пространственного заряда ионного пучка электронами, удерживаемыми магнитным полем в зоне ускорения, ионные источники с анодным слоем отличаются более высокими значениями плотности тока пучка по сравнению с сопоставимыми ионными источниками с несколькими сетками или с многоапертурной ионно-оптической системой. Рис. 1. Свечения в анодном слое радиального плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов: 1 - катоды; 2 - анод Основные процессы, имеющие место в разрядных системах плазменных ускорителей с анодным слоем, достаточно хорошо изучены [1-4]. Существуют два основных режима горения разряда в ускорителях такого типа. Первый режим характеризуется линейной ВАХ с относительно небольшим током разряда и его монотонным возрастанием с ростом приложенного напряжения. Основная часть разряда, в которой и происходит генерация ионов, локализована в тонком слое у анода. В качестве иллюстрации на рис. 1 приведена фотография свечения разряда в области между полюсами-катодами 1 и анодом 2, полученная нами в экспериментах с радиальным плазменным ускорителем. В анодном слое формируется область сильного электрического поля, в котором ионы, рожденные в разряде, ускоряются в направлении от анода. В настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований сильноточного режима горения, который относительно недавно нашел применение в плазменной электронике в задачах по формированию и транспортировки интенсивного нерелятивистского электронного пучка. При относительно высоких давлениях и в условиях, когда внешняя цепь способна обеспечить необходимую величину тока, высоковольтный слаботочный разряд в плазменном ускорителе с анодным слоем переходит в сильноточную низковольтную форму. Практически вся область разряда заполняется плазмой, потенциал которой немного ниже анодного, а основное падение потенциала (несколько сот вольт) приходится на катодный слой. Нами разработаны несколько вариантов конструкций устройств, с геометрией ускорителя с анодным слоем, которые были использованы при построении биполярной электронно-оптической системы (ЭОС) в технологических электронных пушках. Экспериментальный стенд В наиболее общем виде конструкция экспериментального стенда, на котором проводились исследования режимов работы и характеристик генератора плазмы, представлена на рис. 2. Устройство содержит две разрядные ячейки (I, II), встроенные в катодную полость, образованную электродами 3. Электронный пучок транспортируется вдоль продольной оси системы. В ряде экспериментов вместо электронного источника устанавливался секционированный коллектор для измерения однородности потока плазмы, выходящей из катодной полости. Как видно из приведенного рисунка геометрия электродной системы генератора подобна геометрии плазменного ускорителя с анодным слоем. Магнитное поле создается постоянными магнитами 4, имеющими форму куба со сторонами 10×10×10 мм. Конфигурация магнитного поля типична для конфигурации периодической фокусирующей системы с постоянными магнитами [5]. Рис. 2. Чертеж экспериментального макета: 1, 2 - аноды разрядных ячеек; 3 - катоды; 4 - NdBFe-магниты; 5 - катодная полость; 6 - двойной зонд; 7 - фланец вакуумной камеры; 9 - эмиттер источника электронов; I, II - разрядные ячейки Величина магнитного поля задается числом используемых магнитов и выбрана такой, чтобы фокус электронного пучка находился на расстояние не менее 8-10 см правее выходного торца генератора. Учет этого требования привел к тому, что магнитное поле в области между полюсными наконечниками, оказалось в два-три раза меньше тех значений, которые обычно используются в традиционных ионных источниках с анодным слоем. Величина магнитного поля в зазоре между полюсными наконечниками первой ячейки равнялась 0.017 Тл, а второй - 0.015 Тл. Более подробно описание конструкции плазмогенератора, как основной составляющей плазмонаполненной оптической системы формирования электронного пучка, обоснование выбора числа разрядных ячеек и их геометрии приводятся в ранее опубликованных работах авторов [6-8]. Конструкция устройства выполнена таким образом, что плазмогенератор и электронный источник, находятся вне вакуумной камеры. Это дает возможность свободного доступа к магнитам, а также позволяет легко обеспечить охлаждение и магнитов, и катодов плазмогенератора. Катоды генератора изготовлены из малоуглеродистой магнитомягкой стали, аноды - из нержавеющей немагнитной стали. Аноды установлены внутри тороидальных полостей с помощью специальных керамических изоляторов с юбкой, предотвращающей запыления их поверхностей. Все остальные металлические детали изготовлены из нержавеющей стали или из алюминиевого сплава. Напуск плазмообразующего газа (аргона, азота или воздуха) осуществляется в каждую тороидальную полость с помощью отдельных контроллеров. Система электропитания разрядных промежутков ячеек независимая, режим ее работы - импульсно-периодический, с регулируемой длительностью импульса до 300 мкс и частотой следования до 100 Гц. Максимальная амплитуда тока, которую способен обеспечить источник питания, 20 А, ток короткого замыкания 30 А. Результаты исследований и их обсуждение Рис. 3. Свечение плазмы в катодной полости генератора плазмы Принцип действия, предлагаемого устройства заключается в реализации разряда с замкнутым дрейфом электронов и разряда с осцилляцией электронов вдоль силовых линий магнитного поля внутри катодной полости. Как и в случае торцевых ионных источников с анодным слоем, устройство демонстрирует два режима работы. Это слаботочный высоковольтный режим с коллимированным, сходящимся к оси пучком ионов, которые создают ограниченную область с положительным пространственным зарядом. В результате в приосевой области формируется электростатическая плазменная линза, подходящая для фокусировки отрицательных ионов [7]. Разряд локализован вблизи анода, и такой разряд аналогичен режиму работу ионного источника с анодным слоем. При повышении давления (в условиях нашего эксперимента выше 510-4 мм рт. ст.) размер анодного слоя вырастает до размера радиуса катодной полости и разряд переходит в сильноточный «плазменный» режим горения. При этом ток разряда увеличивается более чем на порядок величины. Плазма, заполняющая внутренний объем устройства, визуально оптически непрозрачна (рис. 3). Судя по интенсивности и цвету ее свечения, в разрядном промежутке присутствуют три области. В центре вблизи оси располагается наиболее яркая область, далее, в направлении к катоду, немного большая по протяжённости область с гораздо меньшей яркостью свечения, и у катода - узкая приэлектродная область с фиолетовым оттенком свечения. Рис. 4. Распределение концентрации плазмы и температуры электронов на оси (а) и в радиальной плоскости (б). Зависимости np(r) приведены для координат z = 0 (кр. 1), 1.5 см (кр. 2) и 3 см (кр. 3) Зондовые измерения параметров плазмы показали, что пространственное распределение ее концентрации крайне неоднородно и эта неоднородность локализована в области, прилегающей к оси напротив анода и полюсных наконечников. На рис. 4, а представлено распределение концентрации плазмы на оси плазмогенератора при функционировании только одной разрядной ячейки (в данном случае ячейки II) и величине разрядного тока 11 А. Условия эксперимента - рабочий газ аргон, расход газа 14 см3/мин и давление 710-4 мм рт. ст. Максимальные значения концентрации на оси в этих экспериментах равны ~ 6.71012 см-3. Протяженность зоны высокой концентрации плазмы составляет величину, близкую к диаметру полости. Вне этой зоны радиальное распределение концентрации становится однородным (кривая 3 на рис. 4, б). Пространственное распределение температуры электронов достаточно однородно, за исключением области вблизи анодов, где температура заметно вырастает (рис. 4, б). Увеличение температуры вблизи анода имеет место и в ионных источниках с анодным слоем [4]. Интересно поведение концентрации плазмы на больших расстояниях от функционирующей ячейки в направлении электронного источника. Изменение концентрации стабилизируется и вновь начинает расти. Как мы полагаем, это связано с тем, что в первой ячейке, а она не была подключена к источнику питания, горит несамостоятельный разряд - разряд с полым катодом, инициируемый «основным» разрядом второй ячейки. Со стороны электронного источника наблюдается свечение в области, прилегающей к аноду 1 первой ячейки. Яркость свечения увеличивается, если этому электроду придать катодный потенциал. На рис. 5 приведены осциллограммы токов разряда во второй ячейке Id и напряжения на аноде второй ячейки Ud (напряжение горения «основного» разряда) для двух случаев: в первом - анод первой ячейки находится под плавающим потенциалом; во втором случае - под катодным потенциалом. Заземление анода приводит к снижению напряжения горения почти на 50 В, соответственно растет и разрядный ток. Кроме этого, ощутимо сокращается время формирования основного разряда. Рост напряжения горения в течение импульса связан с «выгоранием» рабочего газа [3]. Напряжение горения увеличивается при подаче положительного потенциала на анод. Ранее нами было обнаружено, что при одновременном функционировании двух ячеек напряжение горения возрастает почти на треть, что приводит к снижению разрядного тока в цепи питания каждой ячейки [8], в соответствии с нагрузочной характеристикой источников питания. Использование более одной разрядной ячейки было вызвано необходимостью обойти ограничение по величине тока разряда из-за перехода газоразрядного режима горения в дуговой с катодным пятном и создания достаточно протяженной области с высокой концентрацией плазмы. Обнаруженный эффект позволяет использовать только одну разрядную ячейку, тем более что достигнутая концентрация плазмы в области, близкой к эмиттеру электронов, в несколько раз превышает концентрацию плазмы в биполярной ЭОС в ранних исследованиях по транспортировке электронного пучка. Аналогично себя ведет разряд в зависимости от потенциала коллектора, только влияние его значительно сильнее. На рис. 6 приведены вольт-амперные характеристики разряда. Видно, что при заземленном коллекторе, или, что тоже самое, коллекторе с потенциалом равным катодному, Рис. 5. Осциллограммы токов разряда (Id), анода (Ia) и напряжения горения разряда (Ud) для разных потенциалов первого анода. Ток анода (Ia) приведен для заземленного анода 1 Рис. 6. Вольт-амперные характеристики разряда: кр. 1 - коллектор под плавающим потенциалом; кр. 2 - коллектор при катодном потенциале напряжение горения значительно ниже, чем при плавающем или положительном потенциалах коллектора, так как плавающий потенциал электрода, помещённого в плазму положителен. Катоды заземлены, а анод под высоким напряжением. За счет ионно-электронной эмиссии с поверхности коллектора, бомбардируемой ионами с энергией, равной прикатодной разности потенциала, появляются дополнительные высокоэнергичные электроны, которые вносят существенный вклад в ионизацию газа. В результате, за счет двух дополнительных разрядов напряжение горения снижается с 500-550 до 350 В при прочих равных условиях, а именно: равных токах разряда, расходе и типе рабочего газа. Это является энергетически выгодным как для источников питания, так и для электродной системы плазмогенератора. Заключение Таким образом, при исследовании функционирования плазмогенератора с встроенными в катодную полость разрядными ячейками, имеющими геометрию плазменных ускорителей с анодным слоем, было обнаружено зажигание при определенных условиях, наряду с разрядом в скрещенных и магнитных полях, также несамостоятельного разряда. Это приводит к существенному снижению (почти на треть) напряжения горения, а также к росту разрядного тока в цепи инициирующего разряда. Таким образом уменьшаются энергозатраты на генерацию плазмы и рассеиваемая мощность на электродах. Этот эффект предполагается использовать в будущем при разработке протяженной плазмонаполненной оптической системы с одной разрядной ячейкой, что значительно упрощает конструкцию электронной пушки в целом. В сильноточном режиме разряда имеется область с высокой плотностью плазмы. При функционировании только одной разрядной ячейки ширина этой области равна приблизительно 6 см. Большие значения концентрации плазмы в ее пределах (в среднем - 41012 см-3, а максимальное приближается к 71012 см-3) делают перспективным использование этого плазмогенератора в технологии обработки поверхности, например цилиндрических изделий. В связи с тем, что разряд занимает весь внутренний объем катодной полости, имеет место распыление поверхностей конструкционных деталей, контактирующих с плазмой. Это может привести к загрязнению поверхности обрабатываемой детали. После решения этой проблемы с помощью дополнительных мер по защите поверхности от перепыления, плазмогенератор может быть эффективно использован и в технологии чистовой обработки поверхностей.

Ключевые слова

плазмогенератор, анодный слой, биполярная электронно-оптическая система, плазменный ускоритель, plasma generator, anode layer, bipolar electron-optic system, plasma thruster

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Гушенец Василий ИвановичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. cотр.gvi@opee.hcei.tsc.ru
Окс Ефим МихайловичИнститут сильноточной электроники СО РАН; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникид.т.н., профессор, зав. лабораторией ИСЭ СО РАН, зав. каф. физики ТУСУРаoks@opee.hcei.tsc.ru
Гончаров Алексей АнтоновичИнститут физики НАНУд.ф.-м.н., профессор, гл. науч. сотр.gonchar@iop.kiev.ua
Бугаев Алексей СергеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., науч. сотр.bugaev@opee.hcei.tsc.ru
Всего: 4

Ссылки

Гришин С.Д., Лесков Л.В., Ляпин Е.А. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. - М.: Наука, 1986. - С. 129-138.
Ide-Ektessabi A., Yasui N., and Okuyama D. // Rev. Sci. Instrum. - 2002. - V. 73. - P. 873-876.
Zhurin V.V., Kaufman H.R., and Ribinson R.S. // Plasma Sources Sci. Technol. - 1991. - V. 8. - P. R1-R20.
Власов М.А., Жаринов А.В., Коваленко Ю.А. // ЖТФ. - 2001. - Т. 71. - Вып. 12. - С. 34-42.
Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - C. 304.
Goncharov A.A., Dobrovolskiy A.M., Dunets S.M., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2012. - V. 83. - P. 02B723(1-4).
Gushenets V., Goncharov A., Dobrovolskiy A., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2013. - V. 41. - P. 2171-2174.
Бугаев А.С., Гончаров А.А., Гушенец В.И., Окс Е.М. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 8/2. - С. 27-31.
 Плазмогенератор для биполярной электронно-оптической системы | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/199

Плазмогенератор для биполярной электронно-оптической системы | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/199