Powerful pulsed titanium ion beams formation of submillisecond duration from vacuum arc plasma.pdf Введение Пучки заряженных частиц и плазменные потоки находят все большее применение для модификации свойств различных материалов и покрытий [1]. Особое место в технологиях ионно-плазменной обработки материалов занимает импульсное энергетическое воздействие на поверхность твердого тела. Пучки электронов [2], ионов [3], лазерного излучения [4] нано- и микросекундной длительности с высокой плотностью мощности обеспечивают модификацию различных металлов и сплавов благодаря экстремально высоким скоростям нагрева и последующего охлаждения приповерхностных слоев на глубинах от единиц до нескольких десятков микрометров. Основной процесс модификации микроструктуры и свойств материалов в этом случае обусловлен эффектом сверхскоростной закалки без изменения элементного состава вещества. Альтернативный метод пучковой модификации материалов основан на ионной имплантации [5, 6]. Изучение особенностей и закономерностей модификации свойств металлов и сплавов при обычной ионной имплантации показало ограниченную возможность ее практического применения. Основное ограничение связано с малым проективным пробегом ионов и, соответственно, с незначительной толщиной ионно-легированного слоя. В последние годы получили развитие новые методы высокоинтенсивной имплантации с применением пучков ионов низкой энергии, но высокой плотности мощности. Эти методы продемонстрировали возможность ионного легирования материалов на глубинах в десятки микрометров при флюенсах ионного облучения 1019-1021 ион/см2 [7]. Хорошие перспективы практического применения показала высокоинтенсивная имплантация ионов азота в нержавеющую сталь, сталь AISI 5135 и AISI 420 [8, 9], когда при температурах имплантации, не превышающих 450-500 °С, в течение часа формировались модифицированные слои толщиной в десятки и сотни микрометров. Можно полагать, что подобные технологии могут быть развиты и в случаях высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии, имеющих малый атомный радиус. Преимущества метода, обеспечивающего глубокое ионное легирование, в ряде перспективных применений, нивелируются нагревом всего образца до высоких температур, при которых наблюдается деградация микроструктуры материалов. Так, например, при имплантации ионов алюминия в титан для формирования ионно-легированного слоя толщиной в несколько десятков микрометров потребовалось увеличить нагрев имплантируемого титана ионным пучком до 950 °С [10]. На решение проблемы сохранения преимуществ высокоинтенсивной имплантации с одновременным устранением высокотемпературной деградации микроструктуры облучаемой мишени нацелен новый метод, описанный в работе [11]. Сущность метода заключается в использовании для высокоинтенсивной имплантации пучков ионов микро-субмиллисекундной длительности с плотностью мощности от десятков до нескольких сотен киловатт на квадратный сантиметр. Импульсно-периодическая имплантация с использованием таких ионных пучков может обеспечить импульсный разогрев локальной области вблизи поверхности с последующим быстрым отводом тепла внутрь материала мишени. Таким образом, достигается высокая температура в ионно-легируемом слое и одновременно исключается наличие высокой температуры во всем объеме облучаемого материала. Высокая температура и высокая плотность ионного тока способствуют радиационно-усиленной диффузии имплантируемых атомов, обеспечивая ионное легирование материала на глубинах, существенно превышающих проективный пробег ионов. Эффект высокоскоростного охлаждения приповерхностного слоя за счет быстрого отвода тепла внутрь материала мишени будет способствовать улучшению микроструктуры ионно-легированного слоя. Высокая плотность ионного тока, значительная длительность импульсов и частотный режим формирования импульсов способны обеспечить высокую скорость набора флюенса ионного облучения, необходимого для глубокого ионного легирования материалов. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию возможности и некоторых закономерностей формирования импульсно-периодических пучков ионов титана субмиллисекундной длительности с плотностью мощности до 100 кВт/см2 Экспериментальная установка и методика исследования Экспериментальные исследования проводились на комплексной установке для ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов [12]. Формирование импульсных и импульсно-периодических пучков ионов титана осуществлялось с использованием модифицированного источника ионов и плазмы «Радуга 5». Система питания импульсного трансформатора была модернизирована таким образом, чтобы формировать пучки ионов различной длительности в диапазоне от 50 до 500 мкс. Плазменный поток формировался непрерывным вакуумно-дуговым разрядом с током дуги до 160 А. Для очистки плазмы от микрокапельной фракции вместо плазменного фильтра жалюзийного типа была использована система «солнечного затмения», впервые предложенная в работе [7]. Для формирования пучка ионов с высокой импульсной плотностью мощности использовалась фокусирующая система, представляющая собой сеточный электрод в виде части сферы радиусом 120 мм с эквипотенциальным пространством для транспортировки и фокусировки ионного пучка. В экспериментах использовались три сеточных электрода с различными размерами ячеек: 0.5×0.5, 1×1 и 2.4×2.4 мм. Дисковый электрод, препятствующий прямому пролету макрочастиц с рабочей поверхности катода в область фокусировки пучка, устанавливался по центру фокусирующего электрода. Экстракция ионов осуществлялась со свободной границы металлической плазмы, генерируемой дуговым разрядом при потенциалах смещения анода в диапазоне от 9 до 30 кВ. В процессе экспериментов проводились измерения ускоряющего напряжения, тока на сеточный электрод, тока ионного пучка и полного тока генератора импульсов напряжения. Для измерения распределения плотности ионного тока по сечению фокусируемого ионного пучка использовался секционированный цилиндр Фарадея с шестью коллекторами площадью 2×2 мм2. В процессе исследований изменялась амплитуда импульсного напряжения, длительность импульса, ток дугового разряда. Импульс ионного тока пучка отличался значительной высокочастотной модуляцией. Это затрудняло оценку реальной амплитуды тока и ее плотности и, как следствие, достигаемую плотность мощности в ионном пучке. В этой связи для увеличения точности измерения амплитуды тока использовалось математическое сглаживание. В отдельных случаях применялось усреднение импульсов тока и напряжения по 15-25 осциллограммам с использованием математического аппарата осциллографа «LeCroy». Исследование формирования пучков ионов титана высокой плотности мощности Первоначально были проведены эксперименты с сеточным электродом радиусом 120 мм с размером ячейки 0.5×0.5 мм при токе непрерывного дугового разряда 160 А. Одиночные осциллограммы импульса тока демонстрируют значительную модуляцию амплитуды в течение всей длительности импульса (рис. 1). Эта модуляция обусловлена как закономерностями эмиссии ионов из катодного пятна вакуумно-дугового разряда, впервые описанными в работе [13], так и особенностями процессов формирования и транспортировки высокоинтенсивного пучка ионов. Рис. 1. Осциллограмма импульса тока, полученная при амплитуде ускоряющего напряжения 20 кВ Для ускоряющего напряжения около 20 кВ характерные осциллограммы импульса напряжения, полного тока высоковольтного трансформатора и плотности ионного тока в фокальной области по оси пучка, усредненные по 15 импульсам, представлены на рис. 2. На усредненных осциллограммах значительная модуляция многократно уменьшается, что позволяет достаточно определять амплитуду импульсов. Рис. 2. Осциллограммы плотности ионного тока в фокальной области по оси пучка, импульса напряжения и полного тока высоковольтного трансформатора, усредненные по 15 импульсам Результаты исследования влияния ускоряющего напряжения на распределение плотности ионного тока по сечению пучка демонстрирует рис. 3. При амплитуде потенциала анода и, соответственно, потенциала плазмы 9 кВ плотность ионного тока в максимуме достигает около 2.75 А/см2. Распределение плотности тока по сечению оказывается достаточно узким. Ширина пучка на полувысоте не превышает 5 мм. Дальнейшее увеличение напряжения до 16 кВ приводит к росту максимальной плотности тока до 3.25 А/см2. При этом наблюдается незначительное уширение распределения плотности тока по сечению пучка. Характерно, что при дальнейшем увеличении напряжения до 30 кВ достигается плотность мощности около 200 кВт/см2, хотя максимальная амплитуда тока в центре пучка немного уменьшается, а ширина пучка на полувысоте возрастает. Такое поведение распределения плотности ионного тока может быть связано с особенностями процессов нейтрализации заряда ионного пучка в пространстве дрейфа. Рис. 3. Распределения плотности ионного тока по сечению пучка для системы формирования с сеточным электродом радиусом 120 мм с размером ячейки 0.5×0.5 мм при токе непрерывного дугового разряда 160 А при ускоряющих напряжениях в диапазоне от 9 до 30 кВ Первоначально при экстракции ионов и их инжекции в пространство дрейфа эффективная нейтрализация заряда пучка осуществляется за счет предварительно инжектированной в пространство дрейфа вакуумно-дуговой плазмы. Время нейтрализации определяется уходом ионов плазмы из пучка. Как показали результаты численного моделирования, при формировании высокоинтенсивных пучков ионов металлов низкой энергии [14] это время не превышает нескольких микросекунд. На первом этапе плотность ионов в пучке на входе в пространство дрейфа почти на порядок меньше плотности электронов в плазме. Это обеспечивает хорошую степень нейтрализации заряда пучка ионов как вблизи сеточного электрода, так и на значительном расстоянии в пространстве дрейфа при его фокусировке с пропорциональным увеличением плотности ионов. Однако после того, как вблизи сеточного электрода формируется слой разделения заряда, в котором происходит ускорение ионов, поступление плазмы, обеспечивающей поставку электронов в пространство дрейфа, прекращается. Наработка электронов в случае формирования длинных импульсов возможна за счет ионно-электронной эмиссии с элементов конструкции системы формирования пучка, а также благодаря формированию плазмы за счет ионизации ионами атомов остаточной атмосферы. С другой стороны, хотя система фокусировки и транспортировки пучка в исходном состоянии представляет собой эквипотенциальное пространство, наличие сеточного электрода создает условие для ухода электронов в ускоряющий зазор. Электрическое поле ускоряющего зазора проникает в пространство дрейфа через ячейки сетки и осуществляет экстракцию электронов, ухудшая тем самым нейтрализацию пространственного заряда пучка. Увеличение амплитуды ускоряющего напряжения должно сопровождаться интенсификацией ухода электронов из пространства дрейфа. Можно также предположить, что динамически изменяющиеся электрические поля пучка в пространстве дрейфа будут разогревать плазменные электроны, способствуя их уходу из ионного пучка. В результате на процессы транспортировки и фокусировки ионного пучка будет влиять баланс рождающихся и покидающих пространство дрейфа электронов. Исследование влияния длительности импульса ускоряющего напряжения при амплитуде 22 кВ на максимальную плотность ионного пучка не выявило существенных особенностей. На рис. 4 представлены одиночные осциллограммы импульсов тока при длительностях от 150 до 500 мкс. Можно отметить, что увеличение длительности импульсов сопровождается постепенным уменьшением амплитуды тока, что предположительно связано с постепенным ухудшением условий нейтрализации пространственного заряда пучка и его дефокусировкой. Рис. 4. Одиночные осциллограммы импульсов тока при длительностях от 150 до 500 мкс при амплитуде ускоряющего напряжения 22 кВ Использование сеточного электрода радиусом 120 мм с размером ячейки 1×1 мм повлияло на закономерности транспортировки и фокусировки пучка ионов титана. При ускоряющем напряжении около 16 кВ полный ток трансформатора приближался к 3 А. Осциллограммы, демонстрирующие изменение плотностей токов на трех коллекторах, расположенных на расстоянии 2.5 мм друг от друга, показывают, что плотность тока на них превышает 2 А/см2 и остается примерно одинаковой амплитуды с ее незначительной модуляцией в течение импульса (рис. 5, а). Увеличение ускоряющего напряжения до 25 кВ сопровождается увеличением модуляции, как показано на рис. 5, б. Рис. 5. Осциллограммы плотности ионного тока на коллекторах в центре пучка при амплитуде ускоряющего напряжения: а - 16 кВ, б - 25 кВ Плотность тока на центральном коллекторе драматично уменьшается. Значительное уменьшение плотности тока имеет место и на втором коллекторе. Существенной становится модуляция ионного пучка. Такая динамика изменения распределения плотности ионного тока по сечению пучка при увеличении ускоряющего напряжения может быть объяснена ухудшением нейтрализации пространственного заряда пучка в связи с возрастающим уходом электронов в ускоряющий зазор и постепенной дефокусировкой ионного пучка. Аналогичная закономерность формирования высокоинтенсивного пучка ионов наблюдалась с сеточным электродом радиусом 65 мм с размером ячейки 1.4×1.4 мм. При ускоряющем напряжении 5 кВ формы импульсов тока на коллекторах демонстрировали максимум тока в центре с амплитудой до 0.7 А/см2. При увеличении амплитуды ускоряющего напряжения до 25 кВ плотность ионного тока уменьшалась почти до нуля, а на втором и третьем коллекторе от оси пучка осциллограммы демонстрировали уменьшение амплитуды плотности тока до 0.25 А/см2 с периодической модуляцией до нуля в течение всей длительности импульса. Еще большее влияние процесса декомпенсации пространственного заряда пучка из-за проникновения электрического поля в пространство дрейфа и ухода электронов в ускоряющий зазор имеет место при использовании сеточного электрода радиусом 120 мм с размером ячейки 2.4×2.4 мм. На рис. 6 представлены осциллограммы импульсов плотности ионного тока на центральном коллекторе, тока импульсного трансформатора и ускоряющего напряжения. Рис. 6. Осциллограммы плотности ионного тока, общего тока высоковольтного трансформатора и ускоряющего напряжения для системы формирования с сеточным электродом радиусом 120 мм с размером ячеек 2.4×2.4 мм Хотя плотность ионного тока достаточно высокая и составляет около 1.5 А/см2, следует отметить, что условия генерации пучка далеки от оптимальных. Осциллограмма тока трансформатора показывает, что источник питания работал в режиме перегрузки по току. Осциллограмма напряжения также указывает на значительное уменьшение амплитуды по сравнению с нормальным режимом работы импульсного источника питания. В обычном режиме амплитуда напряжения должна быть около 30 кВ. Как видно из рис. 6 в данном режиме амплитуда напряжения не превышает 12 кВ со значительной модуляцией в течение всей длительности импульса. Очевидно, что сеточный электрод с размером ячеек 2.4×2.4 мм не обеспечивает сохранение электронов, компенсирующих пространственный заряд в пространстве дрейфа пучка. Электроны плазмы, вторичные электроны практически беспрепятственно уходят через ячейки сетки, увеличивая суммарную амплитуду тока в ускоряющем зазоре, что приводит к катастрофическому ухудшению условий работы генератора импульсного напряжения. Следует отметить, что подобная проблема имела место и в обычных ионных источниках, где для отсечки потока электронов из пространства дрейфа пучка в ускоряющий зазор использовались дополнительные электроды с отрицательным потенциалом амплитудой до нескольких киловольт. Заключение Впервые показано, что применение непрерывного вакуумно-дугового разряда с током до 160 А в сочетании с аксиально-симметричной фокусирующей системой в виде сеточного электрода радиусом 120 мм при ускоряющих напряжениях до 30 кВ обеспечивает возможность формирования пучка ионов титана с плотностью мощности, приближающейся к 100 кВт/см2 с субмиллисекундной длительностью импульса. Показана возможность генерации импульсных пучков ионов высокой плотности мощности с длительностью в диапазоне от 150 до 500 мкс. Эксперименты с сеточными электродами показали, что с увеличением размеров ячейки сетки от 0.5×0.5 до 2.4×2.4 мм существенно изменяются условия фокусировки и транспортировки ионного пучка. Увеличение размера ячейки сетки сопровождается интенсификацией отбора электронов из пространства дрейфа пучка в ускоряющий зазор и ухудшением условий нейтрализации пространственного заряда пучка. В случае применения сеточного электрода с размером ячейки сетки 1.4×1.4 мм увеличение ускоряющего напряжения сопровождается уменьшением плотности тока по оси пучка почти до нуля, что говорит о том, что пучок становится полым.

Скачать электронную версию публикации