Исследование генерации ионных пучков в вакуумном дуговом ионном источнике с многокомпонентным катодом | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/132

Исследование генерации ионных пучков в вакуумном дуговом ионном источнике с многокомпонентным катодом

Вакуумные дуговые ионные источники находят широкое применение для модификации свойств различных поверхностей с помощью ионной имплантации. Использование в таких источниках катодов, состоящих из многокомпонентных соединений, позволяет получать пучки сложного состава, что расширяет их технологические возможности. Представлены исследования ионного пучка, генерируемого в вакуумном дуговом ионном источнике с двухкомпонентным катодом из медно-хромового композита при наложении на разрядный промежуток магнитного поля. Показано, что распределение зарядовых состояний ионов меди и хрома в пучке зависит от их соотношения в материале катода, а доли этих ионов в пучке соответствуют их атомарному содержанию в катоде. Показано, что соотношение ионов меди и хрома в плазме и ионном пучке не зависит от магнитного поля и соответствует соотношению атомов этих элементов в катоде.

Investigation of the generation of ion beams in a vacuum arc ion source with a multicomponent cathode.pdf Введение Интерес к вакуумным дуговым ионным источникам [1, 2] с катодом из композиционных материалов [3-5] заключается в значительной степени в использовании этого типа разряда для генерации многокомпонентных ионных пучков, которые находят различные технические применения. Например, такие ионные пучки широко используются для улучшения свойств поверхности [6-8]. Многокомпонентные соединения металлов отличаются высокой прочностью, коррозионной стойкостью при высоких теплопроводности и электропроводности, причем эти свойства сохраняются до температуры 1000 К [9]. При «металлургической» ионной имплантации проникновение ускоренного иона в поверхность твердого тела происходит вследствие его высокой кинетической энергии. Поэтому медь и хром в поверхностном сплаве, полученном методом ионной имплантации, могут иметь гомогенное распределение атомов по поверхности. Получение таких слоев представляется важным для ряда практических применений, где основным элементом воздействия выступает поверхность, например, для электродов вакуумного выключателя [10]. Создание таких имплантированных слоев возможно с помощью ионного пучка вакуумного дугового источника с композитным катодом на основе меди и хрома [11]. Вместе с тем практическое применение пучков требует проведения детального исследования его параметров и масс-зарядового состава. Методика и техника эксперимента Принципиальная схема экспериментальной установки на базе вакуумного дугового ионного источника Mevva-V.Ru [2] представлена на рис. 1. Вакуумная дуга зажигалась между торцевыми поверхностями двух электродов диаметром 6.3 мм, выполненными из композиционного материала на основе меди и хрома. Расстояние между катодом и анодом составляло 4 мм. Инициирование дуги осуществлялось вспомогательным разрядом по поверхности диэлектрика при приложении высоковольтного импульса (напряжение до 14 кВ, длительность 10 мкс) между катодом и поджигающим электродом. В аноде имелось семь отверстий диаметром 1.5 мм, через которые плазма разряда проникала в анодную полость источника. С эмиссионной поверхности плазмы, ограниченной перфорированным эмиссионным электродом, велся отбор ионов и формировался ускоренный (до 60 кВ) ионный пучок диаметром 10 см, состав которого анализировался времяпролетным спектрометром [12]. В качестве материалов катода использовались два композита с различным соотношением доли атомов меди и хрома. Первый, в котором доли атомов меди и хрома были одинаковы, и второй, в котором доля меди составляла 70 %, а хрома - 30 % (далее CuCr-50/50 и CuCr-70/30 соответственно). На разрядный промежуток источника накладывалось магнитное поле с помощью катушки с внутренним диаметром 30 мм. Каркас катушки был изолирован относительно других электродов. В экспериментах использовалось импульсное магнитное поле величиной 0-1.2 Тл и длительностью 640 мкс. Дуговой разряд длительностью 250 мкс инициировался с задержкой 200 мкс относительно момента запуска магнитного поля. Рабочее давление в экспериментах, обеспечиваемое криогенной высоковакуумной и безмаслянной форвакуумной откачками, составляло 10-6 Торр. Рис. 1. Вакуумная дуговая разрядная система и система формирования ионного пучка: 1 - катод; 2 - поджигающий электрод; 3 - анод-вставка CuCr; 4 - анод; 5, 6, 7 - ионно-оптическая система ионного источника Mevva-V.Ru; 8 - катушка магнитного поля; 9 - изолятор Результаты и их обсуждение Масс-зарядовый спектр состава ионного пучка в случае катода CuCr-50/50 при плотности тока 2.5 кА/см2, измеренный через 200 мкс после инициирования импульса вакуумной дуги, в магнитном поле 1 Тл в качестве примера представлен на рис. 2. При сравнении этого спектра со спектрами без магнитного поля [13] видно, что наложение магнитного поля в плазме способствует появлению более высоких зарядовых состояний - Cu4+, Cr4+, Cr5+, увеличивается средняя зарядность, но также заметно повышается доля ионов газов из остаточной атмосферы вакуумной камеры. Рис. 2. Спектр состава ионного пучка в случае катода CuCr-50/50. Плотность тока - 2.5 кА/см2. Момент измерения - через 200 мкс после начала импульса дуги. Магнитное поле - 1 Тл Рис. 3. Зависимости средней зарядности ионов меди и хрома от магнитного поля для катодов из CuCr-50/50 и CuCr-70/30 Из зависимостей средней зарядности ионов меди и хрома от магнитного поля для катодов из CuCr-50/50 и CuCr-70/30, представленных на рис. 3, следует, что при увеличении магнитного поля среднее зарядовое состояние ионов хрома и меди растёт. При увеличении магнитного поля более 0.8 Тл все зависимости выходят в насыщение и состав плазмы практически не изменяется, и даже заметно некоторое снижение средних зарядностей ионов при магнитном более 1 Тл. В экспериментах также было отмечено, что в магнитном поле более 0.6 Тл в плазме появляется примесь ионов газов, что, очевидно, объясняет снижение высоких зарядностей их перезарядкой на атомах остаточного газа. Среднее зарядовое состояние ионов каждого элемента, а соответственно и распределение ионов этого элемента по зарядовым состояниям незначительно изменяется при изменении материала катода. Это свидетельствует о том, что распределение ионов по зарядовым состояниям в основном определяется напряжением горения разряда, температурой электронов разряда и распределением потенциалов многократной ионизации каждого элемента, а не соотношением этих элементов в катоде [14, 15]. Эксперименты показали, что магнитное поле не влияет на долевой состав плазмы, который остается примерно соответствующим процентному отношению элементов в материале электродов. Рис. 4. Зависимости состава плазмы от длительности после инициирования дуги для катода CuCr-50/50. Магнитное поле - 1 Тл, остаточное давление - 1 мкТорр Рис. 5. Зависимости средней зарядности ионов меди и хрома от длительности после инициирования дуги для катодов из CuCr-50/50 и CuCr-70/30. Магнитное поле - 1 Тл, остаточное давление - 1 мкТорр Зависимости состава плазмы дуги от времени после ее инициирования для электрода из CuCr-50/50 при магнитном поле 1 Тл представлены на рис. 4. Наблюдаются те же тенденции, что и без магнитного поля [13], но при более высокой доле высокозарядных ионов. Высокозарядные ионы регистрируются в начале импульса, а доля низкозарядных ионов растёт к концу импульса. Более отчетливо этот эффект виден из зависимости средней зарядности ионов меди и хрома от длительности после инициирования дуги, представленной на рис. 5. Заключение На примере катодов на основе медно-хромового композита показано, что при наложении магнитного поля на разрядный промежуток увеличивается доля высокозарядных ионов и соответственно растет средняя зарядность ионов в плазме дуги. В спектрах появляются ранее не отмеченные ионы Cu4+, Cr4+, Cr5+, но при увеличении магнитного поля более 0.8 Тл состав плазмы выходит в насыщение. Показано, что как в присутствии магнитного поля, так и без него состав плазмы дуги практически становится квазистационарным по прошествии первых 150 мкс горения разряда. Соотношение ионов меди и хрома в плазме разряда не зависит от магнитного поля и близко к соотношению атомов этих элементов в катоде и в пучке вакуумного дугового ионного источника с катодами, выполненными из двух элементов. Соотношение ионов этих элементов соответствует их атомарному соотношению в материале катода, а среднее зарядовое состояние ионов каждого элемента в пучке определяется распределением потенциалов многократной ионизации этого элемента. В вакуумном дуговом источнике с катодами на основе медно-хромового композита получены широкоапертурные (100 см2) импульсные (250 мкс) ионные пучки с током уровня 1 А при ускоряющем напряжении до 60 кВ, которые могут использоваться для создания в поверхности твердого тела слоев меди и хрома с гомогенным распределением атомов этих элементов.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Фролова Валерия ПетровнаИнститут сильноточной электроники СО РАН; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникик.ф.-м.н., мл. науч. сотр. ИСЭ СО РАН, доцент ТУСУРafrolova_valeria_90@mail.ru
Николаев Алексей ГеннадьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ст. науч. сотр. ИСЭ СО РАНnik@opee.hcei.tsc.ru
Юшков Георгий ЮрьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.т.н., гл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНgyushkov@mail.ru
Кизириди Павел ПетровичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНkiziridi_pavel@mail.ru
Прокопенко Никита АндреевичИнститут сильноточной электроники СО РАНnick08_phantom@mail.ru
Всего: 5

Ссылки

Brown I. // Доклады ТУСУРа. - 2018. - Т. 21. - № 1. - С. 7-13.
Бугаев A.С., Николаев А.Г., Окс Е.М. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2001. - Т. 44. - № 9. - С. 21-28.
Yushkov G.Y., Nikolaev A.G., Frolova V.P., et al. // Tech. Phys. Lett. - 2014. - V. 40. - No. 12. - P. 1072-1074.
Nikolaev A.G., Oks E.M., Frolova V.P., and Yushkov G.Yu. // Tech. Phys. Lett. - 2015. - V. 41. - No. 9. - P. 880-883.
Nikolaev A.G., Yushkov G.Y., Savkin K.P., and Oks E.M. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2013. - V. 41. - No. 8. - P. 1923-1928.
Курзина И.А., Попова Н.А., Калашников М.П. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2011. - Т. 54. - № 11/3. - С. 112-119.
Sokullu Urkac E., Oztarhan A., Kaya N., et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. - 2007. - V. 261. - P. 699-703.
Gushenets V.I., Oks E.M., Yushkov G.Yu., and Rempe N.G. // Laser and Particle Beams. - 2003. - V. 21. - No. 2. - P. 123-138.
Шухардина С.В. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. - М.: Наука, 1979. - 248 c.
Chaly A.M., Chalaya A.T., Poluyanova I.N., and Poluyanov V. // XVIII Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV). - Eindhoven, Netherlands, 1998. - V. 2. - P. 435-438.
Savkin K.P., Yushkov Yu.G., Nikolaev A.G., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2010. - V. 81. - No. 2. - P. 02A501.
Бугаев A.С., Гушенец В.И., Николаев А.Г. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2000. - Т. 43. - № 2. - С. 21-28.
Фролова В.П., Прокопенко Н.А., Кизириди П.П. // Доклады ТУСУРа. - 2019. - Т. 21. - № 4. - С. 119-122.
Yushkov G.Yu. and Anders A. // J. Appl. Phys. - 2009. - V. 105. - P. 043303.
Anders A. // Phys. Rev. E. - 1997. - V. 55. - P. 969-981.
 Исследование генерации ионных пучков в вакуумном дуговом ионном источнике с многокомпонентным катодом | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/132

Исследование генерации ионных пучков в вакуумном дуговом ионном источнике с многокомпонентным катодом | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/132