Plasma anode formation in a high-current electron gun with the use of a hybrid discharge.pdf Введение Сильноточные (до 25 кА) электронные пушки со взрывоэмиссионным катодом и плазменным анодом на основе сильноточного отражательного (пеннинговского) разряда (ОР) широко используются для получения низкоэнергетических (до 40 кэВ) пучков микросекундной длительности, применяемых для поверхностной модификации материалов [1-4]. Опыт эксплуатации таких пушек показал, что для получения более однородных пучков предпочтительно создавать плазменный анод с увеличенной концентрацией плазмы на периферии. Для этой цели в [5, 6] использовался гибридный разряд, сочетающий сильноточный ОР с вакуумными дугами, инициируемыми искровым пробоем по поверхности диэлектрика. Данный метод позволил улучшить однородность пучка, однако стабильность параметров разряда от импульса к импульсу оставляла желать лучшего. Одной из причин этого считалась недостаточная амплитуда импульса напряжения, подаваемого на анод (≤ 5 кВ), что приводило к нестабильности зажигания вакуумных дуг и соответственно к нестабильности параметров пучка. В настоящей работе исследованы пространственная структура свечения и временна́я динамика такого разряда при повышенном (до 9 кВ) анодном напряжении, а также проведены тепловизионные измерения распределения плотности энергии по сечению низкоэнергетического сильноточного электронного пучка, формируемого в данной электронной пушке в различных режимах. Экспериментальная установка и методики измерений Эксперименты проводились на установке «ВЭКсМА», схема электронной пушки которой представлена на рис. 1, а. Использовались два типа взрывоэмиссионного катода: меднооплеточный и катод с резистивной развязкой эмиттеров (на базе резисторов ТВО-1). Анодный узел (рис. 1, б) представлял собой кольцо внутренним диаметром 80 мм и высотой 30 мм, в которое встроено 12 дуговых источников плазмы. Катоды этих источников изготовлены из медной проволоки диаметром 2 мм и заземлены через резисторы 75 Ом. В ряде экспериментов на аноде устанавливался кольцевой экран, ограничивающий распространение плазмы дуговых источников в радиальном направлении. Диаметр экрана, изготовленного из нержавеющей фольги толщиной 200 мкм, составлял 70 мм, а ширина - 15 мм. Амплитуда импульса выходного напряжения блока питания разряда (U0) варьировалась от 5.6 до 9 кВ. Исследование пространственной структуры свечения разряда осуществлялось с помощью цифрового фотоаппарата CASIO QV-3000EX/Ir в режиме открытого затвора. В этом случае коллектором служила сетка из нержавеющей стали. Распределение плотности энергии по сечению пучка изучалось с помощью тепловизора TESTO 875-1 по методике, описанной в [7-9]. Рис. 1. Схемы: a - электронной пушки установки «ВЭКсМА»: 1 - взрывоэмиссионный катод, 2 - анодный узел, 3 - коллектор (сетка или тепловизионная мишень: фольга из нержавеющей стали толщиной 200 мкм), 4 - средство съемки (цифровой фотоаппарат CASIO QV-3000EX/Ir или тепловизор TESTO 875-1), 5 - соленоид, 6 - катодная плазма, 7 - двойной слой, 8 - анодная плазма; б - анодного узла: 1 - стенка кольцевого анода, 2 - медный катод, 3 - керамическая трубка, 4 - ре¬зистор ТВО-2, 5 - экран Наряду с регистрацией свечения разряда и тепловизионными измерениями, проводилось осциллографирование (Tektronix 2024, 200 MHz) как разряда, так и пучка. Следует отметить, что осциллограммы напряжения горения разряда (Ud (t)) регистрировались с помощью активного делителя, размещенного между балластным сопротивлением блока питания разряда (2.1 Ом) и сопротивлением в цепи дуговых источников плазмы (75/12 = 6.25 Ом). Поэтому Ud было меньше U0 на величину падения напряжения на балластном резисторе. Индукция ведущего магнитного поля, создаваемого секционированным соленоидом, во всех случаях составляла 0.14 Тл, амплитуда импульса ускоряющего напряжения Uac, подаваемого на катод, составляла 20-25 кВ. Давление рабочего газа (аргона) варьировалось от 0.1 до 1 мТорр. Регулировка исходной концентрации анодной плазмы осуществлялась путем изменения времени задержки τ между началом импульса тока разряда и подачей импульса ускоряющего напряжения на катод. Управление моментами включения источников питания ведущего магнитного поля, разряда и ускоряющего напряжения осуществлялось с помощью генератора задержанных импульсов с оптической развязкой каналов. Результаты и их обсуждение Предварительно был определен порог напряжения, при котором все дуговые источники начинают стабильно работать. Он находился в диапазоне U0 = 5.6-5.8 кВ. В дальнейшем, в качестве минимального значения использовалось U0 = 6 кВ. Рис. 2. Типичные осциллограммы напряжения (Ch1, 2 кВ/дел.) и тока разряда (Ch2, 1 кА/дел.). Горизонтальная шкала: 2.5 мкс/дел., U0 = 6 кВ На рис. 2 приведены типичные осциллограммы тока и напряжения горения разряда, на которых можно выделить две стадии: первая, длительностью td, представляет собой горение вакуум- ных дуг, а вторая - зажигание сильноточного ОР. Последняя характеризуется резким падением напряжения на аноде и соответствующим ростом тока разряда. Анализ большого количества осциллограмм позволил построить зависимость времени задержки td перехода ОР в сильноточную стадию от давления аргона при различных анодных напряжениях (рис. 3). Видно, что с ростом напряжения и давления время, необходимое для зажигания сильноточного ОР, сокращается, причем напряжение влияет более существенно. Отметим, что в случае гибридного разряда значения этих времен существенно меньше значений, характерных для обычного ОР, что обусловлено обнулением статистического времени запаздывания при впрыске электронов от стороннего источника (в нашем случае из вакуумных искр-дуг) [1-3, 5, 6]. Рис. 3. Время задержки перехода отражательного разряда в сильноточную стадию в зависимости от давления рабочего газа и напряжения На большинстве фотографий свечения наблюдалась квазикольцевая структура разряда, как правило, азимутально неоднородная (рис. 4). Возможно, что неоднородность обусловлена возникновением на сетке 3 (рис. 1, а) катодных пятен-лидеров, положение которых случайно. При крайних значениях давления (0.1 и 1 мТорр) часто наблюдались нестабильности зажигания разряда и пробои на стенку камеры. Рис. 4. Фотографии свечения разряда: p = 0.5 мТорр, U0 = 8.4 кВ Была предпринята попытка создать более выраженную кольцевую структуру разряда путем ограничения радиального распространения плазмы дуговых источников с помощью кольцевого экрана. Его наличие увеличило время перехода разряда в сильноточную стадию в среднем в 1.5 раза (рис. 5). Желательная структура разряда наблюдалась при p = 0.4-0.6 мТорр и U0 = 7.2-8.4 кВ (рис. 6). Были также проведены предварительные испытания электронной пушки с плазменным анодом на основе вышеописанного разряда. На рис. 7 представлены характерные осциллограммы ускоряющего напряжения и тока катода. Рис. 5. Время задержки перехода разряда в сильноточную стадию в зависимости от давления рабочего газа и напряжения. Гибридный анод с экраном Рис. 6. Фотография свечения разряда: p = 0.6 мТорр, U0 = 8.4 кВ. Гибридный анод с экраном Рис. 7. Осциллограммы ускоряющего напряжения (Ch1, 10 кВ/дел.) и тока катода (Ch2, 10 кА/дел.). Горизонтальная шкала: 1 мкс/дел.; Uac = 20 кВ, p = 0.4 мТорр, U0 = 8.4 кВ, τ = 30 мкс В отсутствие экрана 5 (рис. 1, б) были получены распределения с пиковыми значениями плотности энергии W = 5-6 Дж/см2 и диаметром ее однородного распределения 45-50 мм (по уровню 0.9). Использование экрана позволило немного увеличить этот диаметр (до 55 мм) за счет перераспределения энергии в пользу периферийной части пучка. В результате пиковая величина плотности энергии несколько уменьшается (рис. 8). Рис. 8. Термограмма (а) и соответствующее ей распределение плотности энергии по сечению пучка (б). Катод с резистивной развязкой эмиттеров, гибридный анод с экраном. Uac = 20 кВ, p = 0.4 мТорр, U0 = 8.4 кВ, τ = 30 мкс Отметим, что при использовании гибридного разряда напряжением до 5 кВ пучки с диаметром однородного распределения плотности энергии 50-55 мм (по уровню 0.9) ранее были получены лишь при использовании полых ферромагнитных концентраторов, обеспечивающих дополнительное перераспределение плотности энергии в пользу периферии пучка [9]. Заключение Установлено, что в гибридном разряде, сочетающем вакуумные дуги с сильноточным отражательным разрядом низкого давления, время задержки зажигания последнего медленно уменьшается с ростом давления рабочего газа (аргон) и более существенно - с увеличением напряжения питания разряда. Показана возможность формирования плазменного анода с кольцевой структурой при помощи вспомогательного экрана, ограничивающего радиальное распространение плазмы дуговых источников. Получены пучки с диаметром однородного распределения плотности энергии до 55 мм (по уровню 0.9), что соответствует наилучшим результатам, полученным ранее при использовании гибридного разряда с анодным напряжением до 5 кВ совместно с полыми ферромагнитными концентраторами. Поскольку использование концентраторов не всегда возможно, то предложенный метод улучшения однородности пучка является перспективным.

Скачать электронную версию публикации