Достижения в исследовании процессов функционирования разрядных систем и эмиссии электронов из плазмы в форвакуумной области давлений | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/33

Достижения в исследовании процессов функционирования разрядных систем и эмиссии электронов из плазмы в форвакуумной области давлений

Проведен обзор современного состояния исследований процессов в системах тлеющего разряда с полым катодом и катодной дуги, обеспечивающих генерацию эмиссионной плазмы в форвакуумных плазменных источниках электронов. Рассмотрены общие особенности функционирования электронных источников такого типа, процессы инициирования разрядов, достижения необходимых параметров эмиссионной плазмы, а также повышения эффективности извлечения электронов. Сформулированы задачи дальнейших исследований.

Achievements in research of functioning processes discharge systems and emissions of electrons from plasma in forevacuum.pdf Введение Источники электронов с плазменным катодом давно и успешно применяются для генерации импульсных и непрерывных электронных пучков широкого диапазона энергий, токов, размеров и форм поперечного сечения [1-3]. Как правило, генерация эмиссионной плазмы в источниках такого типа осуществляется системами на основе тлеющего и дугового разрядов с «холодным» (не нагретым до термоэмиссионных температур) катодом. Именно это и определяет широкий диапазон рабочих давлений плазменных источников электронов и слабое влияние на работу таких устройств паров обрабатываемого материала и химически активных сред. Известными преимуществами плазменных катодов по сравнению с термоэмиссионным катодом являются также более высокая плотность тока и возможность обеспечения импульсной эмиссии. Следует, отметить, что существенным недостатком плазменных катодов может считаться высокая температура электронов, затрудняющая процессы тонкой фокусировки электронного пучка, а также, по сравнению с термокатодными электронными источниками, относительная сложность конструкции разрядно-эмиссионных узлов и систем электропитания электронного источника с плазменным катодом. Области применения плазменных источников электронов находятся в таких режимах и условиях генерации электронных пучков, где возможности источников электронов с термокатодом ограничены или их использование неприемлемо. Плазменные источники электронов, например, не имеют альтернативы при генерации сильноточных электронных пучков короткой длительности (10-4-10-9 с) в килоамперном диапазоне токов пучка с плотностью тока 103-104 А/см2 [4]. Переход в область более высоких давлений также делает предпочтительным использование электронных источников с плазменным катодом перед термокатодными электронными пушками. Чем выше требуемое для генерации электронных пучков давление, тем в большей степени проявляются достоинства электронных источников с плазменным катодом. При генерации электронных пучков в области повышенных давлений особое место занимают так называемые форвакуумные плазменные источники электронов [5]. Термин «форвакуумные» связан с возможностью функционирования таких источников электронов в диапазоне давлений (1-100 Па), обеспечиваемых только одной ступенью механических средств вакуумной откачки. Упрощение, и следовательно, удешевление вакуумных откачных систем электронно-лучевых установок является, несомненно, привлекательным фактором для использования форвакуумных плазменных источников электронов. Но в большей степени интерес к электронным источникам такого типа связан с возможностью реализации на их основе непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов: керамик, стекол и полимеров [6]. Общие принципы функционирования форвакуумных плазменных источников электронов не отличаются от традиционных плазменных источников, генерирующих электронные пучки в области более низких давлений (10-2-10-1 Па). Тем не менее переход в область повышенных давлений приводит к появлению ряда специфических явлений и особенностей, относящихся к зажиганию и горению разряда, эмиссии электронов из плазмы, формированию электронных пучков и их ускорения до необходимой энергии. Цель настоящей работы - рассмотреть физические аспекты генерации электронных пучков плазменными источниками в области повышенных давлений форвакуумного диапазона. Сделан обзор текущего состояния развития представлений в этой области и сформулированы задачи дальнейших исследований. Особенности форвакуумных плазменных источников электронов Электродная схема форвакуумного плазменного источника непрерывного пучка электронов на основе разряда с полым катодом приведена на рис. 1. Представляемая схема может считаться стандартной или типовой для плазменных источников электронов любого типа, и она состоит из разрядной ячейки для генерации плазмы, области эмиссии электронов, а также системы формирования и ускорения электронного пучка. Рис. 1. Электродная схема форвакуумного плазменного источника электронов Принципиальная проблема плазменных источников электронов состоит в необходимости решения противоречивой задачи, заключающейся в генерации плотной эмиссионной плазмы в разрядной ячейке и одновременном создании условий для обеспечения высокой электрической прочности ускоряющего промежутка. Для традиционных плазменных источников электронов эта проблема решается в результате напуска рабочего газа в разрядную ячейку и созданием таким образом перепада давлений между областями генерации плазмы и ускорения электронного пучка. В области более высоких давлений уровня единиц и десятков паскаль создание заметного перепада давлений практически невозможно, и именно поэтому для форвакуумных плазменных источников характерен изобарический режим работы. Решение принципиальной проблемы плазменных источников электронов при повышенных давлениях затруднено также более близким расположением параметра pd к минимуму кривой Пашена. В какой-то мере это облегчает зажигание плазмообразующего разряда, но в то же время снижает электрическую прочность ускоряющего промежутка и провоцирует его пробой. Отмеченные особенности обусловили возможность использования в форвакуумных плазменных источниках только двух типов разрядов: тлеющего разряда с полым катодом для генерации непрерывного электронного пучка [7, 8] и катодной дуги для получения широкоапертурных импульсных пучков [9]. В отсутствие перепада давлений условия для эффективной ионизации создаются как в разрядной ячейке, так и в ускоряющем промежутке. Именно поэтому протяженность плоскопараллельного ускоряющего промежутка форвакуумного плазменного источника электронов должна быть уменьшена до разумных пределов. Но минимизации промежутка оказалось недостаточно. Необходимо также создание условий, затрудняющих в ускоряющем промежутке пробой по так называемым «длинным путям». В форвакуумных плазменных источниках данная проблема решается оптимизацией размеров электродов и выбором специальной конфигурации высоковольтного изолятора (рис. 2). Рис. 2. Конфигурация электродов ускоряющего промежутка форвакуумного плазменного электронного источника на основе разряда с полым катодом При повышенных давлениях форвакуумного диапазона приложение высокого напряжения приводит к зажиганию в ускоряющем промежутке так называемого высоковольтного тлеющего разряда (ВТР). Для процессов генерации электронных пучков форвакуумным плазменным источником такой разряд является «паразитным», поскольку инициирование ВТР ограничивает область предельных рабочих давлений электронного источника и добавляет в электронный ток пучка неуправляемый компонент тока ионно-электронной эмиссии [10] с поверхности эмиссионного электрода. Кроме этого, обратный ионный поток ВТР оказывает влияние на параметры разряда и эмиссионной плазмы [11]. При генерации электронного пучка к ионному потоку ВТР добавляются ионы пучковой плазмы, образованной в результате взаимодействия ускоренных электронов с газом в области ускорения и транспортировки пучка. Существенное влияние обратного ионного потока на эмиссионные характеристики представляет собой важную особенность, отличающую форвакуумные плазменные источники электронов от традиционных источников электронов с плазменным катодом. Инициирование разряда В форвакуумном плазменном источнике непрерывного электронного пучка на основе разряда с полым катодом напряжение зажигания плазмообразующего разряда заметно снижается благодаря влиянию обратного потока ионов из ВТР [11]. Это обуславливает целесообразность первоочередной подачи ускоряющего напряжения на электроды электронного источника. Рис. 3. Схема экспериментального макета форвакумного плазменного источника ипульсного пучка электронов на основе катодной дуги: 1 - катод; 2 - керамический изолятор; 3 - анод; 4 - эмиссионное окно; 5 - поджигающий электрод; 6 - экстрактор; 7 - фланец вакуумной камеры; 8 - капролоновый изолятор; 9 - импульсный блок питания разряда; 10 - блок питания ускоря¬ющего напряжения; 11 - генератор поджигающих импульсов; 12 - перерас¬пределяющий электрод Для инициирования импульсного дугового разряда наиболее часто используется вспомогательный разряд по поверхности диэлектрика [12]. В форвакуумных плазменных источниках электронов на основе катодной дуги (рис. 3) на процессы зажигания разряда существенное влияние оказывает давление газа [13]. Проблему инициирования разрядных систем в форвакуумных плазменных источниках электронов нельзя считать решенной в полной мере. Требуется как проведение дальнейших исследований особенностей физических процессов зажигания разряда, так и поиск технических решений по оптимизации конструкции разрядной ячейки и модернизации систем электропитания, обеспечивающих стабильное и устойчивое инициирование при напряжениях зажигания разряда, близких к напряжению горения. Формирование разряда характеризуется двумя величинами: временем τd задержки, т.е. интервалом от момента подачи напряжения на промежуток до момента возникновения тока разряда с одновременным падением напряжения, и временем развития τf тока дуги, за которое ток Id разряда возрастает от 0.1 до 0.9 от установившегося значения (рис. 4). Как показали результаты измерений, оба характерных временных интервала заметно снижаются по мере увеличения давления газа в разрядном промежутке (рис. 5). Рис. 4. Осциллограмма тока Id разряда на начальном этапе развития дугового разряда. Время τd задержки развития разряда и время τf развития фронта тока дуги Рис. 5. Времена τd задержки (а) и τf развития (б) разряда как функции приложенного напряжения U0 и установившегося тока разряда Id Достижение необходимых параметров разряда и эмиссионной плазмы Непрерывный режим работы электронного источника предполагает существование эмиссионной плазмы с неизменными параметрами в течение длительного времени (как минимум несколько часов). Одна из основных возникающих при этом проблем связана с теплоотводом от электродов разрядно-эмиссионной системы. Охлаждение катода реализуется сравнительно просто использованием двойных стенок, между которыми прокачивается охлаждающая жидкость, чаще всего вода. Намного сложнее обстоит дело с анодом, поскольку он одновременно является эмиссионным электродом, т.е. содержит отверстия, через которые происходит эмиссия электронов. Для обеспечения эффективной эмиссии анод должен быть как можно тоньше. Однако анод испытывает двустороннюю тепловую нагрузку. Одну со стороны плазмообразующего разряда, а другую, гораздо более существенную - со стороны ускоряющего промежутка в виде ускоренного потока ионов, под воздействием которого электрод (решетка) нагревается до высоких температур, а также распыляется. Указанные обстоятельства снижают срок службы эмиссионного электрода даже при изготовлении его из такого термостойкого металла как тантал. В форвакуумном режиме избежать потока ионов из ускоряющего промежутка в направлении, противоположном электронному пучку, не представляется возможным. Поэтому основные усилия были сосредоточены на улучшении теплоотвода от эмиссионного электрода. Как правило, в качестве эмиссионного электрода используется танталовая пластинка толщиной 1 мм с эмиссионными отверстиями (каналами) диаметром 0.75 мм. При эмиссионном токе 0.5 А срок службы такой пластинки не превышает одного часа. Увеличение толщины эмиссионного электрода в несколько раз существенно повышает срок службы, но при неизменном диаметре каналов на порядок снижает эмиссионный ток. Превышение некоторых значений диаметра канала, зависящих как от давления газа, так и от концентрации эмиссионной плазмы (разрядного тока), приводит к невозможности приложения необходимого напряжения к электродам ускоряющего промежутка вследствие проникновения плазмы из разрядной области в ускоряющий промежуток и неизбежного пробоя. В работе [14] нами была выполнена серия экспериментов по нахождению оптимального сочетания толщины электрода и диаметра эмиссионного канала. Результаты, представленные на рис. 6, позволяют для выбранной толщины электрода определить допустимые значения диаметра эмиссионных каналов. В этих условиях длительность непрерывной работы электронного источника с током эмиссии 0.45 А и энергией электронов 20 кэВ (рис. 7) составила 50 ч. С учетом рабочего давления р = 30 Па (гелий) эти параметры следует отнести к рекордным. Рис. 6. Предельные значения эмиссионного тока Ie в зависимости от диаметра d эмиссионных каналов для разных толщин h эмиссионного электрода. Газ - He, р = 30 Пa, Ua = 18 кВ, Id = 1.5 A Рис. 7. Вольт-амперные характеристики электронного источника с решеткой толщиной 3 мм, числом отверстий 21, диаметром 1.7 мм для разных токов Id разряда: кр. 1 - 300 мА; кр. 2 - 600 мА; кр. 3 - 900 мА; кр. 4 - 1200 мА; кр. 5 - 1500 мА Одна из задач исследований связана с обеспечением однородности широкоапертурного цилиндрического импульсного пучка форвакуумного плазменного источника на основе катодной дуги (рис. 3). Поскольку параметры электронного пучка форвакуумного источника близки к аналогичным параметрам дуговых плазменных источников, предназначенных для работы при более низких давлениях [15], то уместно сопоставить условия функционирования обоих типов источников. Несмотря на общие принципы работы, функционирование форвакуумных источников происходит в условиях заметного влияния обратного ионного потока на радиальное распределение плотности эмиссионной плазмы. Этот поток создает положительную обратную связь, в результате чего возрастает радиальная неоднородность эмиссионной плазмы и соответственно неравномерность распределения плотности тока и плотности энергии по сечению электронного пучка (рис. 8). Указанные обстоятельства требуют принятия специальных мер, одна из которых состоит в использовании перераспределяющего электрода (поз. 12, рис. 3), который эффективно применяется в широкоапертурных импульсных плазменных источниках электронов на основе дугового разряда [16]. Рис. 8. Нормализованное радиальное распределение плотности энергии в пучке для базовой электродной конфигурации (кр. 1) и при наличии перераспределяющего электрода (кр. 2, 3). Расстояние от экстрактора: кр. 1, 2 - 15 см, кр. 3 - 35 см; Ie = 18 A, Ua = 9 кВ Развитие разрядных систем тлеющего разряда с полым катодом для форвакуумных плазменных источников электронов предполагает проведение дальнейших исследований в области обеспечения стабильного инициирования и горения разряда и создания однородной эмиссионной плазмы в протяженных полых катодах в области предельно низких давлений форвакуумного диапазона (0.1-1 Па). Формирование при таких давлениях ленточных электронных пучков с высокой равномерностью распределения плотности тока по сечению электронного пучка делает такие пучки привлекательными для использования в плазмохимических технологиях. Для импульсных разрядных систем дугового разряда представляет интерес изучение условий функционирования в изобарическом режиме дугового контрагированного разряда [17]. Использование такой формы дугового разряда в форвакуумном плазменном источнике электронов обеспечит более приемлемые параметры эмиссионной плазмы и ослабит зависимость этих параметров от нестабильности инициирования и хаотического перемещения катодного пятна в течение импульса тока дуги. Повышение эффективности извлечения электронов Важной особенностью источников заряженных частиц с плазменным катодом является зависимость эмиссионного тока от давления газа. Относительно причин этой зависимости существуют разные мнения, однако большинство исследователей в качестве таковой называют увеличение скорости ионизации и соответственно повышение плотности эмиссионной плазмы [18] с ростом давления. Повышение плотности плазмы не только приводит к росту плотности тока электронов из плазмы, но также способствует созданию условий для «переключения» электронного компонента разрядного тока в эмиссию [19]. Для эмиссии электронов из плазмы эффективность извлечения (отношения эмиссионного тока Ie к току разряда Id) также возрастает с повышением давления газа (рис. 9) [20]. Так как зондовые измерения не обнаруживают столь же значительного повышения плотности эмиссионной плазмы, в данном случае необходимо принять во внимание иной механизм «переключения», связанный с обратным ионным потоком. Обратный ионный поток приносит в разрядную область положительный заряд, что вызывает повышение потенциала плазмы и, как следствие, возрастание потенциального барьера для электронов, уходящих из плазмы на анод, частью которого является эмиссионный электрод. Повышение потенциального барьера затрудняет уход электронов из плазмы и отражается в увеличении плотности плазмы. Приложение напряжения на ускоряющем промежутке и проникновение электрического поля через эмиссионные отверстия в разрядную область снижает или полностью устраняет потенциальный барьер для электронов в локальной области эмиссионного электрода. Совокупное действие двух эффектов обеспечивает «переключение» электронного потока с анода в эмиссию. Рис. 9. Измеренные (кр. 1-5) и расчетная (кр. 6) зависимости эффективности извлечения Ie / Id электронов от давления р газа при Ua = 9 кВ для Id, А: 10 (кр. 1), 15 (кр. 2), 20 (кр. 3), 40 (кр. 4) и 60 (кр. 5) Для разряда с полым катодом возможность повышения тока разряда для увеличения тока электронного пучка ограничена переходом разряда в дуговую форму горения. Для дуги с катодным пятном возможна реализация практически неограниченного тока разряда. Однако увеличение тока дуги существенно повышает долю микрокапельной фракции и резко снижает ресурс катода. Именно поэтому повышение эффективности извлечения электронов остается актуальной задачей для форвакуумных плазменных источников электронов. Такая задача может быть решена в результате оптимизации параметров разряда и геометрии разрядного промежутка, обеспечивающей повышение плотности плазмы в области эмиссии электронов. Несмотря на негативное влияние магнитного поля на электрическую прочность ускоряющего промежутка, в ряде случаев использование слабого магнитного поля в катодной области разряда, удаленной от эмиссионной границы плазмы, может также обеспечить повышение эффективности извлечения электронов из плазмы [21]. Заключение Форвакуумные плазменные источники электронов за относительно небольшой промежуток времени достигли определенного уровня параметров электронных пучков, обеспечивающего интерес к электронным источникам такого типа для их использования в ряде специфических технологий электронно-лучевой модификации материалов, прежде всего диэлектрических. Развитие и совершенствование форвакуумных плазменных источников электронов требует более детального и тщательного изучения физических процессов инициирования и горения используемых в этих устройствах разрядов, а также исследования эмиссионных свойств плазмы в области повышенных давлений форвакуумного диапазона. Достигнутый к настоящему времени уровень понимания физики функционирования форвакуумных плазменных источников электронов позволяет нам с определенным оптимизмом надеяться на существенный прогресс как в дальнейших исследованиях электронных источников такого типа, так и в их применении.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Бурдовицин Виктор АлексеевичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникид.т.н. профессор ТУСУРаburdov@fet.tusur.ru
Окс Ефим МихайловичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники; Институт сильноточной электроники СО РАНд.т.н., профессор, зав. каф. физики ТУСУРа, зав. лаб. источников плазмы ИСЭ СО РАНoks@opee.hcei.tsc.ru
Всего: 2

Ссылки

Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. - М.: Атомиздат, 1977.
Окс Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения. - Томск: Изд-во НТЛ, 2005.
Oks E.M. and Schanin P.M. // Phys. Plasmas. - 1999. - V. 7. - No. 5. - P. 1649-1654.
Koval N.N., Kreindel Yu.E., Tolkachev V.S., and Shanin P.M. // IEEE Trans. Electr. Insul. - 1985. - V. El-20. - P. 735-737.
Бурдовицин В.А., Климов А.С., Медовник А.В. и др. Форвакуумные плазменные источники электронов. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2014.
Бурдовицин В.А., Климов А.С., Окс Е.М. // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35. - Вып. 11. - С. 61- 66.
Osipov I. and Rempe N. // Rev. Sci. Instrum. - 2000. - V. 71. - No. 3. - P. 1-4.
Klimov A.S., Zenin A.A., Oks E.M., and Prech K. // Phys. Plasmas. - 2018. - V. 25(11). - P. 113103.
Казаков А.В., Бурдовицин В.А., Медовник А.В., Окс Е.М. // ПТЭ. - 2013. - № 6. - С. 1-4.
Зенин А.А., Климов А.С., Бурдовицин В.А., Окс Е.М. // Письма в ЖТФ. - 2013. - Т. 39. - Вып. 10. - С. 9-14.
Жирков И.С., Бурдовицин В.А., Окс Е.М., Осипов И.В. // ЖТФ. - 2006. - Т. 76. - Вып. 10. - С. 128-132.
Anders A., Brown I.G., MacGill R.A., and Dickinson M.R. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1998. - V. 31. - P. 584-587.
Burdovitsin V.A., Kazakov A.V., Medovnik A.V., and Oks E.M. // Phys. Plasmas. - 2017. - V. 24. - Р. 093109.
Zenin A.A., Bakeev I.Yu., Klimov A.S., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2020. - V. 91. - P. 033303.
Воробьёв М.С., Девятков В.Н., Коваль Н.Н. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 11/3. - С. 204-208.
Devyatkov V.N. and Koval N.N. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2019. - V. 1393. - P. 012040.
Визирь A.B., Николаев А.Г., Окс E.M. и др. // ПТЭ. - 1993. - № 3. - С. 144-148.
Walton S.G., Hernández S.C., Boris D.R., et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2017. - V. 50. - P. 354001.
Zharinov A.V., Kovalenko Y.A., Roganov I.S., and Tyuryukanov P.M. // Sov. Phys. Tech. Phys. - 1986. - V. 31. - P. 39.
Kazakov A.V., Medovnik A.V., and Oks E.M. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2019. - V. 47. - No. 8. - Р. 3579-3585.
Жирков И.С., Бурдовицин В.А., Окс Е.М. // ЖТФ. - 2007. - Т. 77. - Вып. 9. - С. 115-119.
 Достижения в исследовании процессов функционирования разрядных систем и эмиссии электронов из плазмы в форвакуумной области давлений | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/33

Достижения в исследовании процессов функционирования разрядных систем и эмиссии электронов из плазмы в форвакуумной области давлений | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/33