Space charge sheath near dielectric target, irradiated by electron beam.pdf Введение Ситуация взаимодействия потока электронов с изолированными металлическими либо диэлектрическими поверхностями возникает в некоторых электровакуумных приборах и устройствах, а также при транспортировке электронных пучков в металлических либо диэлектрических трубах [1]. Кроме того, детальное рассмотрение процессов взаимодействия требуется при использовании электронных пучков для поверхностной обработки диэлектрических материалов [2]. Важнейший параметр, характеризующий процесс взаимодействия, - потенциал объекта, облучаемого электронным пучком. Измерение плавающего потенциала изолированного проводника не представляет сложностей, в то время как для диэлектрического объекта отсутствуют универсальные методы. В высоком вакууме хорошие результаты дает метод «зеркала», учитывающий изменение траекторий сканирующего электронного луча [3], а также метод, основанный на измерении энергии вторичных электронов [4]. Для импульсных пучков может быть использована регистрация тока смещения [5]. Для непрерывных пучков в среднем вакууме, т.е. при давлениях в единицы и десятки паскаль, эти методы не годятся из-за искажений, вносимых потоками заряженных частиц из плазмы, создаваемой как электронным пучком, так и электронами, появившимися за счет вторично-эмиссионных процессов. В связи с этим возникает задача создания методики, позволяющей производить оценки потенциала изолированной либо диэлектрической мишени в условиях наличия плазмы. Это и стало основной задачей, решаемой в настоящей работе. Экспериментальная установка Эксперименты проводились на установке, схематически изображенной на рис. 1, а. На верхнем фланце вакуумной камеры 1 размещен форвакуумный плазменный электронный источник 2 на основе разряда с полым катодом [6]. Электрическое питание электронного источника осуществлялось постоянным стабилизированным напряжением, приложенным к разрядному Ud и ускоряющему Ua промежуткам. В вакуумной камере расположена вращающаяся платформа 3 с закрепленными на ней металлическими и диэлектрическими мишенями 4. Облучающий мишень электронный пучок 5 фокусировался магнитной линзой 6. Для металлических мишеней предусмотрено подключение к миллиамперметру или вольтметру для измерения тока и потенциала соответственно. Параметры пучковой плазмы 7 измерялись ленгмюровским зондом 8. Зонд мог перемещаться в вертикальном направлении с помощью электромеханического устройства (на рисунке не показано). Координата зонда определялось по положению стрелки, скрепленной с зондом и расположенной перед линейкой с миллиметровыми делениями. Камера откачивалась механическим форвакуумным насосом ADVAVAC-40. Напуск газа (аргона) производился в камеру с использованием натекателя LV10K. Вакуумная камера снабжена окном для визуального наблюдения свечения плазмы и определения координаты зонда. Рис. 1. Схема установки (а): 1 - вакуумная камера; 2 - плазменный электронный источник; 3 - вращающаяся платформа; 4 - мишень; 5 - электронный пучок; 6 - фокусирующая система; 7 - плазма; 8 - зонд. Вид пучковой плазмы и слоя (б) Результаты измерений Как показали наблюдения, при отрицательных потенциалах мишени пучковая плазма отделена от мишени слоем (рис. 1, б), протяженность которого возрастала по мере понижения потенциала. Регистрация положения границы слоя осуществлялась по местоположению отрицательно смещенного зонда, при котором ток в цепи зонда становился равным нулю. Отмеченный факт позволил использовать для определения потенциала изолированной мишени предложенный нами в [7] метод, основанный на измерении концентрации пучковой плазмы вблизи границы и протяженности приэлектродного слоя пространственного заряда. В слое присутствуют электроны пучка, ионы и электроны пучковой плазмы, а также вторичные электроны, эмитированные мишенью вследствие вторичной электронной эмиссии. Несмотря на столь многокомпонентный состав, для оценки протяженности приэлектродного слоя с хорошим приближением его можно считать чисто ионным. В этом случае ионный ток с границы плазмы может быть приравнен току в законе Чайлда - Ленгмюра и получено выражение, связывающее протяженность слоя d, концентрацию плазмы n и падение потенциала Us в слое плазма - мишень [8]: , (1) где Те - электронная температура плазмы. Как показали измерения, потенциал плазмы по отношению к заземленным стенкам камеры не превышает нескольких вольт. Поскольку в условиях эксперимента приэлектродный слой четко различается, начиная с существенно больших напряжений Us ~ 100 В, то можно считать, что потенциал φ мишени практически равен Us. Разрешая (1) относительно потенциала, получаем . (2) Выражение (2) может быть использовано для оценки потенциала изолированной мишени. Для верификации предлагаемой методики оценки φ было проведено сопоставление потенциала изолированной металлической (титановой) мишени, измеренного непосредственно и рассчитанного по формуле (2). Показанные на рис. 2 результаты не только иллюстрируют понижение потенциала мишени с повышением ускоряющего напряжения, а следовательно, энергии электронов пучка, но и свидетельствуют о неплохом (с учетом сделанных допущений) количественном совпадении измеренных и расчетных величин. Указанное обстоятельство дает основание к применению методики для измерения потенциала диэлектрических мишеней при облучении электронным пучком. Измерения по описанной методике были проведены для мишеней, изготовленных из плавленого кварца, алюмооксидной керамики и слюды. На рис. 3 приведены результаты измерения потенциала для всех использованных материалов. Эти результаты позволяют проследить зависимость потенциала диэлектрической мишени от ускоряющего напряжения при разных давлениях газа и сопоставить потенциалы для разных материалов. Как и для металлических [9] мишеней, потенциалы всех испытанных диэлектриков понижаются по мере увеличения ускоряющего напряжения. Наиболее вероятная причина такого поведения состоит в снижении коэффициента σ вторичной электронно-электронной эмиссии. Рис. 2. Плавающий потенциал φ изолированной титановой мишени как функция ускоряющего напряжения Ua электронного источника: кр. 1, 3 - эксперимент, кр. 2, 4 - расчет, газ - аргон. Давление: кр. 1, 2 - 1.5 Па; кр. 3, 4 - 3 Па. Ток пучка 1 мА Наблюдаемые различия для разных материалов также связаны с различными значениями коэффициента σ. В области ускоряющих напряжений меньших 4 кВ не удавалось обнаружить слой, что следует трактовать как отсутствие отрицательного потенциала на поверхности диэлектрической мишени. Это означает, что для малых энергий электронного пучка коэффициент σ ≥ 1, что в целом характерно для диэлектриков. Для металлов подобная особенность не наблюдалась [7]. Рис. 3. Потенциал φ как функция ускоряющего напряжения Ua для разных диэлектрических мишеней: кр. 1 - кварц, кр. 2 - алюмооксидная керамика, кр. 3 - слюда. Давление газа (аргона): а - 1.5 Па; б - 3 Па. Ток пучка 1 мА Заключение Выполненные эксперименты показали, что методика, основанная на измерении концентрации пучковой плазмы и оценке протяженности слоя, отделяющего плазму от мишени, может быть применена для определения потенциала диэлектрической поверхности, облучаемой электронным пучком в среднем вакууме. Различие потенциалов для разных диэлектриков, наблюдающееся в одинаковых условиях эксперимента, может быть использовано для сопоставления вторично-эмис¬сионных свойств различных диэлектриков.

Скачать электронную версию публикации