Особенности электронно-оптических систем с плазменным эмиттером на основе стационарных двойных электрических слоев в плазме | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/67

Особенности электронно-оптических систем с плазменным эмиттером на основе стационарных двойных электрических слоев в плазме

Представлена физическая концепция и макет конструкции плазменного источника заряженных частиц в скрещенных E × H -полях, в которой за счет особой конфигурации электродной структуры созданы условия для формирования стационарных двойных электрических слоев. Показано, что формирование таких слоев способствует росту первеанса источника и обеспечивает возможность одновременного или попеременного образования потоков заряженных частиц различного знака. Приведены электродная структура и основные характеристики разработанного источника, предложен механизм его работы.

Features of electron optical systems with plasma emitter based on stationary double electric layers in plasma.pdf Источники ионных и электронных пучков в настоящее время позволяют реализовать обширный перечень современных инновационных технологий обработки, модификации и создания новых материалов. В ряде случаев значительное повышение качества таких технологий и производительности технологического оборудования предусматривает одновременное (комбинированное) воздействие электронного и ионного пучков. В настоящее время такая технология обычно обеспечивается использованием раздельных электронного и ионного источников. При этом наиболее широкое применение для формирования плазменных поверхностей, эмитирующих ионные или электронные пучки, получили газоразрядные электродные структуры, в которых возбуждаются магнетронные разряды [1, 2], или разряды с осцилляцией электронов «пеннинговского» типа (PIG) [3] или с полым катодом [4, 5]. В технологически необходимых условиях низкого давления газа для снижения напряжения разряда и плотности эмитирующей плазмы в газоразрядных структурах используются термокатоды [6]. Однако это является недостатком источников в связи с низкой долговечностью термокатодов в газовых разрядах. В названных разрядах, согласно принятой в настоящее время концепции [7], эмитирующая плазма отделена от электродов газоразрядной структуры пристеночными электрическими слоями, параметры которых определяются разностью потенциалов между плазмой и каждым электродом, а также плотностью плазмы по условию равенства нулю напряженности электрического поля на границе плазмы. Форма и положение эмитирующей поверхности плазмы также подчиняются этому требованию [8], поэтому электронно-(ионно-)оптические условия в промежутке ускорения электронов (ионов) и формирования пучка зависят от положения и формы эмитирующей границы плазмы, т.е. от ускоряющего напряжения и геометрии электродов и их потенциала. Подвижность положения и формы плазменной поверхности обуславливают их нестабильность, что создает определенные трудности формирования пучков, в первую очередь, большого сечения [9]. Известны [10] стабилизирующие эмиссионный процесс эффекты, в частности за счет формирования вторичной плазмы в ускоряющем промежутке, которая при определенных условиях может обеспечить значительное улучшение эмиссионно-оптических свойств источника с плазменным эмиттером: уменьшение расходимости пучка за счет снижения радиального градиента потенциала в ускоряющем промежутке, повышение эмиссионного тока за счет обратного потока зарядов из вторичной плазмы в эмитирующую [11], а также повышение первеанса ускоряющей системы за счет частичной компенсации объемного заряда пучка. Изложенное выше позволяет предполагать следующее. Во-первых, существует возможность создания плазменного объекта с электростатическими слоями, способного обеспечить формирование совмещенных в едином пространстве ионного и электронного пучков. Во-вторых, многофакторность такой структуры и отсутствие необходимых алгоритмов затрудняет в настоящее время численное моделирование таких структур. В-третьих, перспективным представляется комбинация ранее обнаруженных стабилизирующих эффектов и удачных конструкторских решений плазменных источников электронов и ионов, поскольку экспериментальное исследование подобных структур на данном этапе остается наиболее эффективным для создания технологических источников совмещенных ионно-электронных пучков. В данной работе предложена концепция и разработанная на ее основе конструкция единой мультиразрядной структуры, которая за счет формирования в ней двойных электрических полей обладает повышенным первеансом и способна формировать совмещенные или попеременные ионно-электронные пучки. Физическая концепция и электродная структура экспериментального источника Рис. 1. Схематическая электродная структура разработанного макета электронно-ионного источника со скрещенными Е×Н-полями: 1, 5, 7 - катоды; 2, 4, 6 - аноды; 3 - электрод ускоряющий (электроны); 8 - электрод ускоряющий (ионы) Рис. 2. Потенциальная диаграмма электродов разработанного макета электронно-ионного источника со скрещенными Е×Н-полями: 1, 5, 7 - катоды; 2, 4, 6 -аноды; 3 - электрод ускоряющий (электроны); 8 - электрод ускоряющий (ионы); участок a-b соответ¬ствует катодному падению потенциала, b-c - потенциал плазмы, c-d - анодное падение потенциала, Ud1, Ud2, Ud3 - напряжение разряда в камерах I, II и III соответст¬венно; Uac e - напряжение ускорения электронов, Uac i - напряжение ускорения ионов Схематически электродная структура экспериментального источника показана на рис. 1, а на рис. 2 приведена предполагаемая диаграмма потенциалов, формируемая в ней электродами. В объеме, ограниченном электродами 1 (катод) и электродом 2 (анод) возбуждается разряд с осцилляцией электронов [12, 13], из плазмы которого электродом 3 обеспечивается эмиссия и ускорение электронов. Электроды 3-7 образуют газоразрядную структуру, формирующую плазму, которая является источником распыляющих ионов. Эта структура состоит из двух соединенных последовательно (вдоль оси) газоразрядных ячеек PIG-типа. Элементы этой структуры 4 и 6 являются анодами разрядных ячеек; элементы 3, 5 и 7 - катодами. Между электродами 7 и 8 прикладывается напряжение, ускоряющее ионы до требуемой технологией энергии распыляющих ионов. В то же время в этом промежутке (между электродами 7 и 8) осуществляется торможение пучка электронов, ускоренных в промежутке между электродами 2 и 3. Реальная конфигурация электродов разработанного макета электронно-ионного источника (эскиз электродной структуры) и блок-схема электропитания показаны на рис. 3 и 4 соответственно. Макет представляет собой генератор эмитирующей плазмы, формируемой в объеме, ограниченном внутренними поверхностями катодов 2 и 4, анода 3 и эмиттерного электрода 5 (разрядная камера I). Электроды 6 и 7 образуют промежуток ускорения электронов, где формируется поверхность плазмы, эмитирующая электроны. Электроды 8-12 образуют газоразрядную структуру, формирующую плазму, являющуюся источником распыляющих ионов. Эта структура состоит из двух соединенных последовательно (вдоль оси) газоразрядных ячеек «пеннинговского» типа (II и III) [3]. Элементы этой структуры 9 и 11 являются анодами разрядных ячеек, элементы 8, 10 и 12 - катодами, которые одновременно служат полюсными наконечниками постоянных магнитов. Можно предположить, что в этих ячейках обеспечивается как осцилляция электронов между катодами, так и подобие их циклоидального движения, реализуемого в разрядах магнетронного типа. Одновременно с этим магнитное поле, формируемое катодами 8, 10 и 12, образует магнитную фокусирующую систему для ускоренного электронного пучка, распространяющегося вдоль оси этой (второй) газоразрядной структуры до выхода из источника ионно-электронного пучка в технологическую камеру. Между электродами 12 и 14 прикладывается напряжение, ускоряющее ионы до требуемой технологией энергии. В то же время в этом промежутке (между электродами 12 и 14) осуществляется торможение пучка электронов, ускоренных в промежутке между электродами 6 и 7. Эмитирующая ионы поверхность плазмы, формирующаяся между электродами 12 и 14, определяет траектории как ионов, так и электронов в пространстве дрейфа электронно-ионного пучка до распыляемой мишени, а значит, и распределение плотностей ионного и электронного тока по поверхности мишени. Рис. 3. Электродная структура разработанного макета электронно-ионного источника со скрещенными Е×Н-полями: 1 - штуцер для напуска плазмообразующего газа; 2 - внутренний катод; 3 - главный анод; 4 - внешний катод; 5 - эмиттерный электрод; 6 - вспомогательный анод; 7 - ускоряющий электрод; 8, 10, 12 - катоды; 9, 11 - аноды; 13 - фланец для установки структуры на рабочую камеру; 14 - согласующий электрод; 15 - изоляторы; I, II, III - области разрядных камер Рис. 4. Схема подключения электродов разрядных камер электронно-ионного источника на основе разряда в скрещенных Е×Н-полях: БПР - блок питания разряда соответствующей разрядной (I, II или III) камеры с напряжением разряда Uр до 1000 В и током Iр до 1.2 А; ВБП - высоковольтный блок питания с ускоряющим напряжением Uу до 5 кВ и током до 0.5 А; ВБП 1 - блок ускорения электронов; ВБП 2 - блок ускорения ионов Независимые системы электропитания и ускорения для каждой разрядной камеры единой структуры (рис. 4) позволяют формировать различные режимы работы всего источника в целом. Исследования проводились для трех режимов работы источника. Генерация электронного пучка Инициирование разряда осуществляется в двух разрядных камерах (I и II - рис. 3). Вольт-амперные характеристики разряда в указанных камерах приведены на рис. 5 и имеют типичный вид для данного разряда. Современная теория и опыт применения плазменных источников ионных и электронных пучков показывают, что диодные структуры с плазменными эмиттерами зарядов автоматически обеспечивают повышенный первеанс при заданной плотности эмиссионного тока [5]. Это обусловлено невозможностью формирования ленгмюровского минимума потенциала вблизи плазменного эмиттера вследствие одновременной эмиссии из плазмы как электронов так и ионов [6]. Последнее обуславливает автоматическое перемещение каждого элемента поверхности эмитирующей плазмы до реализации условия нулевого градиента потенциала на всей поверхности. Рис. 5. Вольт-амперные характеристики разряда для I (кр. 1, 2) и II (кр. 3, 4) разрядных камер при одновременном формировании разрядов в указанных камерах. Напуск газа Q: кр. 1, 3 - 3.5 мПа∙м3/с; кр. 2, 4 - 2.2 мПа∙м3/с Таким образом, диод с плазменным эмиттером работает в режиме насыщения, когда ток эмиссии равен току анода диодного промежутка. Дальнейшее повышение первеанса в диоде с плазменным эмиттером возможно за счет компенсации объемного заряда тока (электронном или ионном) зарядами другого типа во всем диодном промежутке. Такая ситуация реализуется, в данной конструкции при формировании в плазме двойных электрических слоев. Такие слои можно рассматривать как диоды с плазменным эмиттером и плазменным анодом. Тогда первеанс двойных электрических слоев можно считать максимальным для заданной плотности тока в слое (диоде). В предлагаемой конструкции электроды 8, 10 и 12 образуют магнитную фокусирующую систему для ускоренного электронного пучка, а промежуток 8-10 является регулятором энергии электронов в пучке. Электронный пучок, формируемый в I камере (см. рис. 3), попадает после ускорения в структуру, образованную электродами камеры II (рис. 3), где в разряде низкого давления формируется эмитирующая ионы плазма, и распространяется вдоль оси в этой структуре. Ионы движутся в верхнюю структуру, повышают ионизацию газа в области отбора электронов и плотность эмиссионного тока и частично компенсируют электронный объемный заряд в ускоряющем промежутке, что, в целом, приводит к увеличению первеанса источника. Об этом свидетельствует изменение наклона вольтамперных характеристик извлечения при наличии (рис. 6, кривые 4-6 и рис. 7, кривые 3-5) инициации разряда в разрядной камере II (рис. 3) в сравнении с его отсутствием (рис. 6, кривые 1-3 и рис. 7, кривые 1, 2). Из представленных характеристик видно, что в рабочем диапазоне устойчивого существования разряда определяющее влияние на первеанс источника оказывает наличие дополнительного разряда в камере II (рис. 3), а не ток разряда и величина напуска газа (давления в разрядной камере). Рис. 6. Ток I7 (в цилиндр Фарадея) при отсутствии (кр. 1-3) и наличии (кр. 4-6) инициации разряда в нижней разрядной камере (электроды 8-10, рис. 1, а) для различных напусков газа Q: Iр в верхней камере (электроды 2-5, рис. 1, а) 200 мА, напряжение горения разряда 420 В; Iр в нижней камере (электроды 8-10, рис. 1, а) 180 мА, напряжение горения разряда 410 В. Напуск газа Q: кр. 1, 4 - 2 мПа∙м3/с; кр. 2, 5 - 3 мПа∙м3/с; кр. 3, 6 - 3.5 мПа∙м3/с Рис. 7. Ток I7 (в цилиндр Фарадея) при отсутствии (кр. 1, 2) и наличии (кр. 3-5) инициации разряда в нижней разрядной камере (электроды 8-10, рис. 1, а) для различных токов разряда в верхней и нижней камерах: кр. 1-5 - напуск газа Q - 2 мПа∙м3/с; Iр в верхней камере (электроды 2-5, рис. 1, а): кр. 1, 3, 5 - 200 мА, напряжение горения разряда 420 В; кр. 2, 4 - 240 мА, напряжение горения разряда 450 В; кр. 3, 4 - Iр в нижней камере (электроды 8-10 рис. 1, а) 180 мА, напряжение горения разряда 410 В; кр. 5 - Iр в верхней камере (электроды 2-5, рис. 1, а) 210 мА, напряжение горения разряда 430 В Генерация ионного пучка При генерации ионного пучка формируются разряды в камерах II и III (см. рис. 3). Ускоряющее ионы напряжение прикладывается между электродами 12 и 14 (рис. 3). Эксперименты показали, что величина ионного тока не превышает 10 мА при ускоряющем напряжении до 3 кВ, что свидетельствует о низкой перспективности такого режима работы для данного источника. Генерация совмещенного электронно-ионного пучка Низковольтный разряд формируется во всех трех камерах (I, II и III - см. рис. 3). Электронный пучок, сформированный из разрядной камеры I (рис. 3) и ускоренный между электродами 6 и 7 (рис. 3), попадает в разрядные ячейки II и III (рис. 3), повышая плотность эмитирующей ионы плазмы. Ускоряющее ионы напряжение прикладывается между электродами 12 и 14 (рис. 3). В результате на выходе источника генерируется ионно-электронный пучок с возможностью регулирования в нем плотности и энергии электронов и ионов по отдельности. Рис. 8. Ток I7 (в цилиндр Фарадея): Ie7 - электронный ток в цилиндр Фарадея; Ii7 - ионный ток в цилиндр Фарадея; 1 - фиксированное напряжение ускорения ионов 1.5 кВ (ВБП 2, рис. 4); 2 - фиксированное напряжение ускорения электронов 1.5 кВ (ВБП 1, рис. 4); ток разряда в камере I (рис. 3) 200 мА, напряжение горения разряда 420 В; ток разряда в камере II (рис. 3) 180 мА, напряжение горения разряда 410 В На рис. 8 показаны эмиссионные характеристики (зависимости тока в цилиндр Фарадея) в условиях, когда в источнике в определенной степени реализуются все возможные электродинамические процессы. Необходимо отметить, что каждая из характеристик (1 и 2, рис. 8) получена в двух разных экспериментах и различными способами. Эмиссионная характеристика 1 (рис. 8) получена при фиксированном напряжении ускорения ионов на уровне 1.5 кВ и изменении ускоряющего электроны напряжения от 0 до 3 кВ. Физическая интерпретация вида полученной характеристики может быть следующей. На участке, соответствующем области I (рис. 8), электроны плазмы, формируемой в камере I (см. рис. 3), ускоряются в электрическом прианодном слое камеры I (рис. 3) и в прикатодном слое разрядной камеры II (рис. 3). В результате во всей газоразрядной структуре устанавливается такое распределение электронов по энергиям, при котором небольшая часть высокоэнергетичных электронов может преодолеть разность потенциалов в промежутке ускорения ионов. При этом большая часть электронов испытывает полное торможение и возвращается в газоразрядную структуру. В результате определяющий вклад в ток цилиндра Фарадея вносит ионная компонента тока пучка. Снижение величины тока в цилиндр Фарадея при увеличении напряжения ускорения электронов из разрядной камеры I (рис. 3) является следствием повышения доли электронов, способных преодолеть тормозящую разность потенциалов в промежутке ускорения ионов и увеличения компоненты электронного тока в цилиндр Фарадея. Когда напряжение ускорения электронов из разрядной камеры I (рис. 3) достигает напряжения ускорения ионов (1.5 кВ), торможение электронов, инжектируемых в область разрядных камер II и III (рис. 3) прекращается, электронная компонента тока в цилиндр Фарадея скачком возрастает и становится определяющей. При этом величина электронного пучка в цилиндр Фарадея (кривая 1, область II на рис. 8) превышает значение тока без инициации разряда в камере II (рис. 6, кривые 1-3), однако он меньше, чем при формировании разряда в камере II (рис. 6 кривые 4-6), что обусловлено, по-видимому, частичной компенсацией электронного тока током ионов из разрядной камеры II (рис. 3). Эмиссионная характеристика 2 (рис. 8) получена при фиксированном напряжении ускорения электронов 1.5 кВ и изменении ускоряющего ионы напряжения от 0 до 3 кВ. Физическая интерпретация вида этой характеристики представляется следующей. На участке, соответствующем области I (кривая 2 рис. 8), ток в цилиндр Фарадея близок к нулевому значению, что говорит о практически полной взаимной компенсации электронного и ионного пучков до этого значения ускоряющего напряжения. Скачкообразное изменение полярности тока в цилиндр Фарадея (область II рис. 8) свидетельствует о превалирующей эмиссии из источника ионов при напряжениях свыше 1.5 кВ, а существенный рост тока ионной эмиссии (до 45 мА) при ускоряющем ионы напряжении 3 кВ по сравнению с режимом генерации ионного пучка объясняется почти полным возвратом электронов в область разрядных камер II и III и повышением плотности плазмы, эмитирующей ионы. Полученная плотность тока эмиссии ионов порядка 10 мА/см2 свидетельствует о перспективности разработки на базе данной конструкции электронно-ионного источника для промышленной реализации различных технологий обработки и модификации поверхностей материалов. На рис. 8 в области I существует область неопределенности полярности тока эмиссии, что обусловлено, по-видимому, наличием в разрядных структурах II и III (рис. 3) двойных электрических слоев. При ускоряющих напряжениях более 1.5 кВ в области II зависимостей на рис. 8 поле двойных электрических слоев оказывает уже слабое влияние на движение зарядов в газоразрядных структурах II и III (рис. 3), а токи электронов Ie7 и ионов Ii7 (рис. 8) имеют определенные значения. Необходимо отметить, что эксперименты проводились в широком диапазоне значений напусков газа 1.1-3.5 мПа∙м3/с и токов разряда 0.18-0.24 А. Характеристики оказались подобны представленным раннее. Линейный вид вольт-амперных характеристик обеспечивает высокую управляемость технологическими параметрами источника. Наличие дополнительных разрядных структур и соответствующих систем электропитания, конечно, усложняет конструкцию источника, однако однозначность влияния напряжения в дополнительных блоках питания на характеристики извлечения источника в целом позволяют создать общую согласованную автоматизированную систему управления. Приведенные характеристики свидетельствуют о возможности разработки технологического источника заряженных частиц для реализации способов, требующих комбинированного воздействия электронными и ионными пучками. Заключение Предложен концептуальный подход к конструированию и представлены первые экспериментальные результаты исследований плазменных эмиссионных систем для реализации комбинированных электронно-ионных технологий: электронно-лучевое ассистирование плазмохимическим процессам и комбинированное воздействие электронными и ионными пучками. Предложенная экспериментальная конструкция плазменного источника заряженных частиц требует дальнейших исследований, показывает потенциальные возможности такого типа источников для решения задач формирования технологических совмещенных электронных и ионных пучков. Проведенные исследования показали перспективность разработанной конструкции для реализации режимов формирования электронного пучка с повышенным первеансом совмещенных электронно-ионных пучков, что не исчерпывает весь спектр возможных технологических и конструктивных решений. Однако возможности разработанной структуры не ограничиваются этими режимами работы. Предложенная конструкция может служить прототипом для создания технологических источников для формирования скомпенсированных ионных пучков, пучков нейтральных атомов или для реализации попеременного или одновременного воздействия пучками обоих типов заряженных частиц. Такого типа источники, могут стать универсальным инструментом для нанесения пленочных покрытий различного назначения [11-13]. Подобные системы могут представлять интерес как в виде отдельных источников, так и как ячейки мультиразрядного источника для формирования воздействия на большие площади [14-17].

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Антонович Дмитрий АнатольевичВитебский государственный университет им. П.М. Машеровак.т.н., доцент, первый проректор ВГУ им. П.М. Машероваd_antonovich@tut.by
Груздев Владимир АлексеевичПолоцкий государственный университетд.т.н., профессор, профессор каф. физики ПГУv.gruzdev@psu.by
Залесский Виталий ГеннадьевичФизико-технический институт Национальной академии наук Беларусид.ф.-м.н., доцент, директор ФТИ НАН Беларусиv.zalesski@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Физика и технология плазменных эмиссионных систем / под общ. ред. В. Т. Барченко. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. - 286 с.
Кузьмичёв А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. - Киев: Аверс, 2008. - 244 с.
Penning F.M. Coating by Cathode Disintegration // US Patent 2,146,025; N.V. Philips, Gloeilampenfabrieken, Eindhoven, The Netherlands; 1939.
Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. - М.: Энергия, 1969. - 184 с.
Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. - М.: Атомиздат, 1977. - 145 с.
Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. - М.: Сов. радио, 1966. - 454 с.
Груздев В.А., Залесский В.Г. // Вестник Полоц. гос. ун-та. Сер. С. Фундаментальные науки. - 2014. - № 4. - С. 103-108.
Груздев В.А., Залесский В.Г. // Прикладная физика. - 2009. - № 5. - C. 82-90.
Gruzdev V.A. and Zalesski V.G. // Electrotechnica and Electronica (Bulgaria). - 2014 - V. 49. - No. 5-6. - Р. 264-268.
Gruzdev V.A. and Zaleski V.G. // Plasma Phys. Rep. - 2010. - No. 36. - P. 1191-1198.
Gruzdev V.A. and Zalesski V.G. // Herald of Polotsk State University. Ser. C. Fundamental Sci. - 2014. - No. 4. - P. 103-108.
Gruzdev V.A., Zaleski V.G., Antonovich D.A., and Golubev Y.P. // Vacuum. - 2005. - No. 77. - P. 399-405.
Zaleski V.G. and Antonovich D.A. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2007. - No. 40. - P. 7771-7777.
Бурдовицин В.А. и др. Форвакуумные плазменные источники электронов. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2014. - 288 с.
Antonovich D., Gruzdev V., Zalesski V., et al. // High Temperature Mater. Proc. - 2017. - V. 21(2). - P. 143-159.
Bogomolov B.K. // 10th Int. Conf. on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. APEIE-2010. - Novosibirsk, 2010. - V. 1. - P. 23-30.
Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 112 с.
 Особенности электронно-оптических систем с плазменным эмиттером на основе стационарных двойных электрических слоев в плазме | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/67

Особенности электронно-оптических систем с плазменным эмиттером на основе стационарных двойных электрических слоев в плазме | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/67