Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодом

Климов, Александр Сергеевич

Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Климов, Александр Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодом»

Автореферат диссертации на тему "Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодом"

УДК 537.533

На правах рукописи

Климов Александр Сергеевич

ФОРВАКУУМНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЛЕНТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ТОКА НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПРОТЯЖЕННЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ

01.04.04- Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТОМСК - 2009

003479602

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бурдовицин Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Николай Николаевич Коваль (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск); доктор технических наук, профессор Павел Ефимович Троян (ТУСУР, г. Томск).

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «ТПУ» «НИИ ядерной физики» (г. Томск)

Защита состоится 3 ноября 2009 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, 634050, г. Томск, пр. Ленина 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан « %Р » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.П. Акулиничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение производительности установок, предназначенных для электронно-лучевой обработки больших поверхностей, требует создания источников пучков большого сечения, в частности пучков ленточной конфигурации. Среди подобных источников особый интерес представляют устройства, способные генерировать пучок в условиях предварительного вакуума или форвакуума, достигаемого использованием лишь механических средств откачки.

В проведенных ранее исследованиях была показана принципиальная возможность создания источника ленточного электронного пучка способного функционировать в форвакуумной области давлений (1 - 15 Па). Было установлено, что в этой области давлений однородность ленточного электронного пучка, формируемого плазменным источником электронов, определяется не только процессами генерации эмиссионной плазмы, но и влиянием обратного потока ионов, образованных в ускоряющем промежутке и области транспортировки электронного пучка. Между ионным потоком и плотностью эмиссионной плазмы существует положительная обратная связь, многократно усиливающая локальную неоднородность эмиссионного тока. На основе проведенных исследований был создан не имеющий аналогов простой и надежный электронный источник с плазменным катодом, который в форвакуумном диапазоне давлений позволяет получать электронный пучок ленточной конфигурации со стабильными параметрами. Формирование пучка осуществляется за счет эмиссии электронов из разряда с полым катодом в остаточной атмосфере вакуумной камеры без использования напуска газа и системы дифференциальной откачки. На базе разработанного источника реализован так называемый плазменно-пучковый разряд, а также показана возможность применения такого генератора плазмы в технологии осаждения покрытий.

Несмотря на то, что сам факт генерации ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений представляет собой «прорыв» в развитии плазменной эмиссионной электроники, достигнутые плотности тока пучка (10 мА/см2), оказались все же недостаточными для ряда принципиальных применений. Это делает задачу поиска путей увеличения плотности тока ленточного электронного пучка, генерируемого в форвакуумной области давлений, актуальной как в физическом аспекте, так и с точки зрения практического использования таких электронных пучков.

Цель работы состояла в проведении комплекса исследований, направленных на повышение плотности тока, генерируемого плазменным источником ленточного пучка электронов в форвакуумной области давлений. В задачу работы также входила модернизация на основе проведенных исследований существующего источника электронов для обеспечения в ленточном электронном пучке плотности тока не менее 0,1 А/см", достаточной для поверхностной обработки и плавки ряда материалов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Установлено, что для источников ленточных электронных пучков на основе разряда с полым катодом, функционирующих в форвакуумной области давлений, повышение плотности тока пучка путем уменьшения ширины выходной щели катодной полости имеет ограничение, связанное с возникновением неустойчивости токопрохождения в разрядном промежутке. Данная неустойчивость оказывает влияние на однородность плазмы в области эмиссии электронов и, соответственно, нарушает равномерность распределения плотности тока пучка по его сечению.

2. Предложена и исследована разрядная система с составной катодной полостью, обеспечивающая в форвакуумном плазменном источнике резкое увеличение плотности тока ленточного пучка электронов при сохранении высокой степени его линейной однородности.

3. Показано, что для форвакуумных плазменных источников электронов плазма, образующаяся в области транспортировки электронного пучка, обеспечивает практически полную нейтрализацию зарядки изолированной мишени электронным пучком, открывая тем самым возможность непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов.

Научная и практическая ценность работы.

1. Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий в форвакуумной области давлений (1 - 15 Па) генерацию ленточного электронного пучка с током до 800 мА, энергией до 10 кэВ и плотностью эмиссионного тока до 0,2 А/см2.

2. Существенно расширен диапазон возможных технологических применений плазменных электронных источников, в частности, показана возможность использования разработанного устройства для электронно-лучевой плавки, сварки и размерной обработки высокотемпературных диэлектриков.

3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в других устройствах, имеющих аналогичные разрядные структуры и функционирующих в области повышенных давлений, а именно: в ионно-плазменных напыли-тельных установках, генераторах низкотемпературной плазмы, источниках ионов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием различных экспериментальных методик, сопоставлением экспериментальных результатов и численных оценок, а также практической реализацией научных положений и выводов при создании источников электронов.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Для плазменных источников ленточных пучков электронов, функционирующих в форвакуумной области давлений, повышение плотности тока пучка путем уменьшения ширины выходной апертуры катодной полости имеет ограничение, связанное с возникновением неустойчивости токопрохождения в

разрядном промежутке, обусловленной самопроизвольным локальным раскрытием ионных оболочек в апертуре полости и возникновением так называемых «струйных структур тока», приводящих к резкому нарушению однородности концентрации плазмы вблизи эмиссионной поверхности, а, следовательно, и к существенной неравномерности распределения плотности тока пучка по его сечению.

2. Разрядная система с составной катодной полостью, образованной из двух прямоугольных частей различной ширины, с выходной апертурой в широкой части обеспечивает в форвакуумном плазменном источнике ленточного пучка электронов подавление неустойчивости разрядного тока и, соответственно, увеличение плотности тока пучка при сохранении высокой степени его линейной однородности. Положительный эффект обусловлен взаимовлиянием двух областей катодной полости, в результате которого плазма из расширенной катодной полости проникает в сужение, а поток электронов из узкой части полости, в свою очередь, вызывает появление осевого максимума в поперечном распределении плазмы в области эмиссии электронов и формирования электронного пучка.

3. Плазменный источник электронов на основе разряда с неоднородным протяженным полым катодом обеспечивает при давлении газа 5 - 15 Па генерацию непрерывного электронного пучка ленточной конфигурации сечением 10x0,4 см2 с плотностью тока до 0,2 А/см2 и энергией до 10 кэВ. Образующаяся в области транспортировки электронного пучка плазма обеспечивает практически полную нейтрализацию зарядки изолированной мишени, обеспечивая тем самым возможность непосредственной электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов.

Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на XIV и XV Международных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2006 г. и 2008 г.), на 34 Международной конференции по физике плазмы (ICOPS, 2007, New Mexico, USA), на 10 Международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007 г.), на III Международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ, 23-30 июня 2009 г.), на Международных научно-практических конференциях «Электронные средства и системы управления» (Томск, Россия, 2006г., 2007г.), на 13-ой и 14-ой Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск, 2007 г., 2008 г.), на XI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (Томск, 2008 г.), на Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР» (Томск, 2006 г., 2007 г., 2008 г.).

лии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации, на основании которых разработана конструкция источника электронов с ленточной конфигурацией пучка. Окончательная редакция защищаемых научных положений и выводов по работе осуществлялась совместно с научными руководителями при активном творческом участии соискателя.

Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 19 работ, включая 5 статей в реферируемых журналах, 9 полных текстов докладов на Международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация содержит 108 страниц машинописного текста, 82 иллюстрации, список цитируемой литературы из 95 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность, цель, научная новизна, научная и практическая ценность работы. Излагается краткое содержание диссертации, формулируются выносимые на защиту научные положения.

Первая глава "Плазменные источники электронов, формирующие пучки большого сечения при повышенных давлениях" носит обзорный характер и посвящена анализу известных из литературы сведений об особенностях формирования однородной протяженной плазменной границы для получения пучка ленточной конфигурации, а также описаны основные параметры, влияющие на плотность эмиссионного тока. Рассмотрены особенности формирования пучков большого сечения в форвакуумной области давлений. Большое внимание уделено рассмотрению основных видов неустойчивостей наблюдающихся в разрядах низкого давления. Несмотря на многообразие источников электронных пучков с большим поперечным сечением, практически отсутствуют устройства, обеспечивающие генерацию пучков в форвакуумной области давлений с плотностью тока достаточной для осуществления термической обработки поверхности. В то же время разработка конструкции источника, способного генерировать ленточный электронный пучок с плотностью тока уровня 100 мА/см , позволила бы успешно применить его для широкого круга новых технологических задач с использованием электронных пучков. В заключение главы сформулированы задачи исследований.

Вторая глава "Неустойчивости в разрядной системе с протяженным полым катодом форвакуумного плазменного источника электронов" посвящена вопросам получения однородной протяженной плазмы с повышенной плотностью в разряде с полым катодом в форвакуумной диапазоне давлений. Описан экспериментальный макет плазменного эмиттера электронов на основе разряда с полым катодом, специально созданный для генерации непрерывного ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений (Рис. 1). Рассмотрено влияние геометрических размеров выходных апертур катодной

I I I I

полости и анода на образование неустойчивостей в распределении концентрации эмитирующей плазмы.

Показано, что при уменьшении ширины щели в апертуре катодной полости разряд испытывает существенную перестройку. На фоне однородного по длине катодной апертуры разряда наблюдаются одно или несколько ярко светящихся локальных областей с повышенной плотностью плазмы (рис. 2). Причем положение этих областей может скачкообразно изменяться с течением времени. Увеличение разрядного тока приводит к расширению областей неоднородности плазмы, и при токах более 1 А неустойчивости и неоднородности наблюдались на всем протяжении апертуры катодной полости. Было установлено, что локальный максимум проявляется лишь при условии, что ширина катодной апертуры становится меньше некоторого значения, определяемого, в первую очередь, разрядным током. Увеличение разрядного тока приводило к возрастанию концентрации плазмы за пределами области неоднородности. При некоторых значениях разрядного тока локальный максимум концентрации становился практически незаметным. Яркое свечение в этом случае практически равномерно распространялось на всю длину катодной полости.

Уменьшение объема и, соответственно, площади стенок катодной полости, достигаемое уменьшением высоты к (Рис.1), приводит к тому, что пороговый разрядный ток, при котором исчезает локальный максимум, снижается. Пороговый ток снижается также с

Рисунок 1 - Схема экспериментального макета форвакуумного плазменного источника ленточного электронного пучка: 1 - полый катод; 2 - анод; 3 - ускоряющий электрод; 4 - медные вкладыши; 5, 6 - изоляторы; 7 - зонд; 8 - перемещаемый коллектор.

Рисунок 2 - Свечение плазмы в щелевид-ной апертуре катодной полости. (Ток разряда 1(1=400 мА, давление 6 Па, размеры выходной апертуры катодной полости 7x300 мм2).

увеличением ширины щели в апертуре катодной полости и возрастанием давления (Рис. 3).

Предложен механизм образования неустойчивостей, базирующийся на представлении о самопроизвольном «стягивании» разряда в локальную область. Последовательность явлений может быть следующей. При малых разрядных токах и, следовательно, низких концентрациях плазмы щель в апертуре катодной полости оказывается перекрытой ионными слоями. Случайное отклонение от установившегося значения концентрации или потенциала плазмы, приводящее к уменьшению толщины ионных слоев, вызывает рост электронного тока в этой области, влекущий за собой повышение интенсив-

1,4 1,2 1,0

-т,о,б

0,4 0,2

9 10 Ь, мм

Рисунок 3 - Зависимость разрядного тока /¿т. при котором исчезает неоднородность, от ширины Ь щели для различных давлений: 1-10 Па, 2-6 Па, 3-4 Па.

ности ионизационных процессов и, следовательно, концентрации плазмы. Это приводит к дальнейшему уменьшению толщины ионных слоев. Процесс развивается лавинообразно и заканчивается формированием локальной области, обеспечивающей прохождение практически всего электронного тока. Увеличение разрядного тока вызывает возрастание концентрации плазмы и раскрытие ионных оболочек за пределами локальной области, что и приводит к изменению характера распределения концентрации плазмы по длине полости. Очевидно также, что уменьшение площади стенок полости при сохранении разрядного тока означает возрастание концентрации плазмы, что и проявляется в снижении порогового тока (Рис. 3).

Для исключения влияния ионных слоев в апертуре катодной полости было предложено использовать нитевидный анод, расположенный внутри полости. Впервые размещение такого анода было использовано Гавриловым Н.В.1 (Институт электрофизики УрО РАН) для облегчения условий инициирования разряда. Проблема зажигания разряда для форвакуумного плазменного источника электронов не является первоочередной, тем не менее, присутствие в катодной полости дополнительного анода может оказать влияние на распределение плотности плазмы, благоприятствующее повышению ее плотности вблизи эмиссионной поверхности.

В экспериментальном макете (рис. 1) внутрь катодной полости на керамических держателях устанавливался дополнительный нитевидный анод. Этот

1 Гаврилов Н.В., Осипов В.В. и др. // Письма в ЖТФ, 2005.-Т.31.-Вып.З. - С.72-78.

электрод электрически соединялся с основным анодом напрямую или через переменный резистор (10 -130 Ом), номинал которого определял распределение токов разряда между двумя анодами.

Как и ожидалось, размещение внутри катодной полости дополнительного анода облегчало зажигание разряда и повышало стабильность его горения. Но в данном случае месторасположение нитевидного анода, степень его удаленности от выходной щели оказывало также влияние на величину плотности плазмы вблизи в области токоотбора. При приближении дополнительного нитевидного анода к апертуре катодной полости концентрация плазмы увеличивалась. Равномерность же распределения пе вдоль катодной полости оказалась зависящей от удаленности дополнительного анода от выходной апертуры катода. Оптимальное положение дополнительного анода в катодной полости, при котором концентрация плазмы вблизи ее эмиссионной поверхности максимальна, достигалось при удалении дополнительного анода от апертуры катода на расстояние /о«« =13. При дальнейшем приближении (/ < 1опт) возникали неустойчивости и неоднородности в распределении концентрации плазмы.

Размещение дополнительного анода в катодной полости позволяет части электронного тока замкнуться на этот анод. Очевидно, что в случае, когда площадь анода значительно меньше площади стенок катодной полости, плазма оказывается неоднородной по плотности, и вблизи анода ее концентрация повышается. Это и объясняет увеличение концентрации плазмы в апертуре полости при приближении к ней дополнительного анода (рис. 4).

Попытки изменить распределение токов между анодами установкой между ними резистора неизменно приводило к образованию в пучке одной или нескольких струй в момент, когда величина тока на основной анод становилась равной или больше 10% от тока разряда (рис. 5), эффективность при этом приближалась к 100%.

Полученные результаты находят свое объяснение в рамках представлений об ионном слое, отделяющем плазму от стенок катодной полости. В случае, когда толщина слоя сравнима с шириной щелевид-ной апертуры эта апертура оказывается полностью перекрыта слоями.

Рисунок 4 - Распределение концентрации плазмы для различных расстояний от нитевидного анода до выходной щели в катодной полости: 1 - 20 мм, 2-13 мм, 3 -32 мм. Ток разряда 0,4 А. Давление 8 Па.

Приближение дополнительного анода к выходной апертуре катодной полости приводит к возрастанию концентрации вблизи выходной апертуры катода, локальному раскрытию ионных оболочек, увеличению плотности электронного тока, снижению концентрации нейтральных атомов, возрастанию температуры электронов и дальнейшему увеличению локальной концентрации плазмы вследствие возрастания интенсивности ионизации газа плазменными электронами.

Третья глава "Формирование в форвакуумной области давлений ленточного электронного пучка при извлечении электронов из разряда с протяженным полым катодом " содержит результаты исследования возможности повышения плотности эмиссионного тока в форвакуумном ленточном электронном пучке, основанной на использовании составной катодной полости. Для проведения исследований использовался модернизированный экспериментальный макет форвакуумного плазменного источника ленточных электронных пучков (рис. 1). Модернизация заключалась в расположении внутри катодной полости медных вкладышей 4 (рис. 1), что позволило изменять ширину й и глубину £ верхней части полости. Вставки в катодную полость были электрически изолированы от

0,0 0,1 0,2 0,3

Рисунок 5 - Ток пучка в зависимости от отношения тока дополнительного анода к току разряда (/Л) для токов разряда: 1 - 300 мА, 2 - 400 мА, 3 - 500 мА. Ширина апертуры катодной полости 8 мм, давление 6 Па, ускоряющее напряжение [/„=4.5 кВ.

700 650 со 600 = 550 500 450

0 200 400 600 800 | мд

сР

Рисунок 6 - Вольтамперные характеристики разряда для полостей с различной шириной <1 узкой части: 1 -(1 = 40 мм, 2 - ё = 12 мм, 3 - (1 = 14мм, 4 - с! = 16 мм, давление 6 Па.

стенок катодной полости с помощью прокладок из прессованной слюды. Таким образом, формировался составной полый катод, представляющий собой в поперечном сечении комбинацию двух прямоугольных секций различной ширины, названных условно «узкой» и «широкой».

Экспериментально установлено, что свойства разряда с составной катодной полостью отличаются от аналогичных свойств разряда с однородной полостью полым катодом прямоугольного сечения. Отличия проявились как в вольтамперных характеристиках

(ВАХ), так и в параметрах газоразрядной плазмы. ВАХ разряда с однородной полостью монотонна (рис. 6 кривая 1). Для составной же полости существует участок скачкообразного снижения напряжения горения и роста тока разряда (рис. 6 кривые 2,3).

0,8 0,7 0,6 а о,5

•о"

0,4 0,3 0,2

-Д-1 —»—2

200

400

600

800,^мд

Рисунок 7 - Отношения токов на широкую /„.</ (1) и узкую /„а (2) части катодной полости к току разряда Давление 5 Па, ширина узкой части полости ¿/=16 мм.

Значения пороговых токов, при превышении которых происходит скачкообразный рост, определяются давлением газа и шириной узкой части полости. Чем ниже давление и меньше ширина узкой части полости, тем больше пороговый ток. Соотношение между токами 1пЛ и (рис. 7), приходящимися на узкую и широкую части полости, соответственно, указывает на то, что большая доля приходится именно на узкую часть.

Пространственные распределения параметров плазмы представлены зависимостями

п(х), нормированными на максимальное значение и измеренными для разных значений координаты г (рис. 8). В однородной полости п(х) представляется плавной кривой (рис. 8, кривая 1). Для составной полости, для токов, меньших пороговых, кривая п(х) по форме такая же, как и для однородной полости. Для разрядных токов, превышающих пороговые, в непосредственной близости от

границы двух частей полости кривая п(х) имеет отчетливо выраженный максимум, ширина которого примерно равна ширине узкой части полости (рис. 8, кривая 2). Этот максимум расширяется и понижается с уменьшением z (рис. 8, кривая 3). Значения концентрации в максимуме превышают аналогичные величины для однородной полости в 1,5-2 раза при тех же значениях разрядного тока и зависят от геометрических размеров узкой секции составной катодной полости. Увеличение длины L до 45 мм вызывало повышение максимальной концентрации плазмы. Дальнейшее удлинение узкой секции

X, см

Рисунок 8 - Поперечное распределение концентрации плазмы л в однородной катодной полости (1), и в составной полости на расстояниях г от границы раздела секций: 2 - 0 см, 3 - 1 см. Кривая 4 - расчет. Ток разряда 1Л = 0.8 А, й= 16 мм, Р= 8 Па.

оказалось нецелесообразным, поскольку заметно затрудняло зажигание и поддержание разряда. Характер изменения концентрации от ширины й узкой части является немонотонным с максимумом при </ =16 мм, что составляет - 40% от ширины всего катода.

Для выяснения характера перераспределения плазмы между двумя частями полости были проведены измерения концентрации и потенциала плазмы термоэмиссионным зондом вдоль оси г в срединной плоскости катодной полости (рис. 9). Эти измерения показали значительный рост концентрации и спад потенциала по мере углубления в узкую часть полости. При этом не удалось обнаружить локального скачка потенциала, который характерен для образования двойного электростатического слоя на границе сужения полости.

Расчет пространственного распределения параметров плазмы произведен путем решения уравнений непрерывности и баланса заряженных частиц, с учетом как диффузионной, так и дрейфовой составляющей токов. Взаимодействие секций полости учтено поступлением электронов из узкой секции в широкую и противоположным потоком ионов. Результат решения иллюстрируется кривой 4 (рис. 8), совпадающей

по форме с экспериментальны-

3 4 5 6

2, СМ

Рисунок 9 - Концентрация п (1, 3) и потенциал <рр (2,4) плазмы в зависимости от

координаты х в составной (1, 2) (при </=16 мм) и однородной (3, 4) полости. Ток разряда /¿= 0,8 А, давление Р = 6 Па.

35 30 ~525

5« 10 5

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 X, см

Рисунок 10 - Распределение плотности тока у по толщине пучка для токов разряда 1Л = 0,1 А (1, 2) и 0,8 А (3, 4) для однородной (1,3) и составной (2,4) полости с размером й = 16 мм. Давление Р = 6 Па, ускоряющее напряжение 1/„ = 2кВ.

ми зависимостями. Это может служить дополнительным свидетельством правильности представлений о процессах в составной катодной полости.

Использование составной катодной полости существенно изменило не только характер распределения концентрации плазмы в катодной полости, но и величину извлекаемого эмиссионного тока (рис. 10). Причем повышение этой величины до 35 мА/см2 было достигнуто без нарушения однородности пучка по координате у, т.е. по ширине пучка.

Полученные результаты могут быть объяснены с использованием представлений о двух режимах горения разряда в составной катодной полости. При относительно малых значениях токов и, соответственно, низких концентрациях плазмы разряд существует лишь в широкой части катодной полости, поскольку катодные слои перекрывают сужение полости, и плазма не имеет возможности проникновения в узкую ее часть. Увеличение разрядного тока внешними регулировками позволяет достичь момента, при котором происходит разрыв катодных оболочек, и плазма проникает в узкую часть полости.

Условие проникновения записывается в виде

й \eJUJ

где й -ширина узкой части катодной полости, 1С - протяженность катодного слоя, ии Те - концентрация и электронная температура плазмы, ис - катодное падение потенциала.

Подставляя полученные в измерениях параметры плазмы и разряда для порогового тока, получаем 1С ~ 0,5 см, что в целом удовлетворяет условию (1). Скачкообразный рост тока наряду со снижением разрядного напряжения (рис. 6), а также перераспределение тока между частями полости (рис.7) таким образом, что большая доля катодного компонента тока разряда замыкается на узкую часть, однозначно свидетельствует о том, что в разрядной системе с неоднородным полым катодом реализуются условия для более эффективной ионизации. Результат оказывается несколько неожиданным, если отметить, что в случае, когда вся полость имеет одинаковую ширину, равную ширине узкой части, в рабочем диапазоне давлений разряд в стабильной форме поддерживать не удается из-за возникновения неустойчивых неоднородностей распределения плазмы по длине полости. Наблюдаемое переключение большей доли разрядного тока на узкую часть полости обеспечивает увеличение концентрации

плазмы в пределах этой части.

Дальнейшее увеличение плотности тока ленточного электронного пучка базируется на распространенном способе -увеличении разрядного тока. Обеспечить повышение концентрации плазмы при неизменном разрядном токе можно, уменьшив площадь электродов разрядной системы. Результаты измерения распределения плотности тока по поперечному сечению пучка в катодной полости с длиной, уменьшенной с 28 см до 10 см и щелевидной апертурой 0,5 см показаны на рис. 11. При

I мА/а^

Рисунок 11 - Распределение плотности тока пучка для укороченной катодной полости, ток разряда 700 мА, ускоряющее напряжение 4 кВ, давление 10 Па.

токе разряда, не превышающем одного ампера, удалось поднять плотность тока в пучке до 200 мА/см", что в несколько раз превысило ранее достигнутый уровень. Понятно, что при этом пришлось уменьшить ширину электронного пучка. Однако, такая связь между плотностью тока и размерами поперечного сечения пучка является, по-видимому, отражением объективных свойств систем, использующих в качестве эмиссионной среды плазму тлеющего разряда вообще и разряда с полым катодом, в частности.

Четвертая глава "Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодолС посвящена описанию конструктивных особенностей модернизированного на основании исследований форвакуумного плазменного источника электронов, представлены его параметры и характеристики, а также приведены некоторые его применения.

Модернизация конструкции плазменного источника ленточного пучка электронов предназначенного для работы в форвакуумном диапазоне давлений, осуществлялась главным образом с целью повышения плотности тока электронного пучка, обеспечивающего возможность реализации ряда принципиально новых применений. Изменения в конструкции заключались в размещении внутри катодной полости специально изготовленных вкладышей, комбинация которых позволяла изменять глубину и ширину узкой части катода. Протяженность катодной полости была уменьшена до 10 см.

Эксплуатационные характеристики источника представлены в таблице 1.

Таблица 1. Эксплуатационные параметры источника.

Режим работы непрерывный

Напряжение разряда до 1 кВ

Ток разряда до 1 А

Ускоряющее напряжение до 10 кВ

Ток пучка до 800 мА

Размеры пучка в поперечном сечении 100x4 мм2

Максимально достигаемая мощность электронного пучка 8 кВт

Плотность тока 200 мА/см2

Рабочий газ остаточная атмосфера, гелий, воздух, метан, аргон и др.

Давление рабочего газа 5 -15 Па

Источник способен обеспечивать стабильные параметры электронного пучка в условиях "грязного" вакуума. Он сохраняет работоспособность при воздействии паров металлов и химически активных газов при недостижимых для других источников давлениях.

Экспериментально установлено, что использование плазменного источника электронного пучка в форвакуумном режиме позволило избежать накопления заряда на изолированной мишени, помещенной на пути распространения пучка, и снижения ее потенциала (рис. 12).

Полученные плотности эмиссионного тока обусловили возможность использования источника электронов для электронно-лучевой обработки (плавки, сварки, размерной обработки) непроводящих материалов: стекла, кварца, керамики.

При работе плазменного источника электронов в форваку-умной области давлений воздействие ускоренного ленточного электронного пучка на кварц приводило к локальному плавлению материала в зоне воздействия пучка. Визуальные наблюдения при этом не обнаружили какого-либо отклонения траектории электронного пучка (рис. 13).

Использование ленточного электронного пучка для сварки керамических трубок позволило избежать перенапряжений в образцах за счет прогрева и сварки сразу большой области шва. На рис. 14 показаны образцы керамики после сварки.

Рисунок 12 - Зависимость потенциала изолированной мишени % от давления р для токов пучка 1ь: 1 - 380 мА, 2 -550 мА. Ускоряющее напряжение 3 кВ.

Рисунок 13 - Воздействие электронного пучка на диэлектрик. Ускоряющее напряжение 4 кВ, ток пучка 0,3 А, давление 8 Па.

Рисунок 14 - Керамические трубки на основе талькошамотной массы до и после электронно-лучевой обработки. Ускоряющее напряжение 4 кВ, ток пучка 0,2 А, давление 8 Па.

Кварцевая [пластинка

„Электронный пучок

Специально проведенные испытания показали, что сварной шов в этой керамике оказался вакуумно-плотным для давлений до 0,001 Па. В результате испытаний на разрыв получены прочности от 15 до 30 МПа. Аналогичные измерения для исходной керамики дали значения 40-г50 МПа.

В заключении изложены основные результаты работы:

1. Установлено, что в плазменном источнике электронов на основе разряда с протяженным полым катодом, генерирующим ленточный пучок в форва-куумном диапазоне давлений, при уменьшении ширины выходной щели катодной полости до величины, когда отношение площади щели к площади стенок полости достигает некоторого критического значения, возникает неустойчивость, связанная с резким повышением плотности плазмы в локальной области вдоль катодной щели и обусловливающая возрастание неоднородности распределения плотности тока пучка, проявляющейся в виде так называемых «эмиссионных струй». Определено, что вероятной причиной возникновения этой неустойчивости является лавинообразное раскрытие ионных оболочек в локальной области щелевидной апертуре катодной полости, сопровождающееся «стягиванием» разряда и ростом концентрации плазмы в области локализации.

2. Возникновение неустойчивости токопрохождения в катодной полости разрядной системы форвакуумного плазменного источника электронов может быть затруднено размещением внутри полости дополнительного нитевидного анода. Однако наличие дополнительного анода обеспечивает равномерное горение разряда только при условии, когда практически весь разрядный ток замыкается на этот анод. В этом случае эффективность извлечения электронов из плазмы разряда снижается с 80-100% до 15-20%. Принудительное уменьшение доли тока разряда на дополнительный анод повышает эффективность извлечения электронов, но вновь приводит к появлению неустойчивости тока.

3. Применение в форвакуумном источнике ленточного электронного пучка разрядной системы с составным полым катодом позволяет повысить концентрацию плазмы вблизи эмиссионной границы без нарушения ее однородности по длине (продольному размеру) катодной полости. Это, в свою очередь, приводит к увеличению в 1.5-2 раза плотности электронного тока. Положительный эффект обусловлен взаимовлиянием двух областей катодной полости, в результате которого плазма из расширенной катодной полости проникает в сужение, а поток электронов из узкой части полости, в свою очередь, вызывает появление осевого максимума в поперечном распределении плазмы в области эмиссии электронов и формирования электронного пучка.

4. В результате проведенных исследований создан плазменный источник электронов на основе разряда с полым катодом, генерирующий при рабочих давлениях до 15 Па электронный пучок ленточной конфигурации с поперечным сечением 100х 4 мм2 с плотностью тока 0,2 А/см2, энергией до 10 кэВ и неоднородностью распределения плотности тока по сечению пучка не превышающей 10%.

5. Генерация плотной плазмы при транспортировке ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений обеспечивает практически полную компенсацию заряда, накапливаемого на изолированной мишени, что дает

принципиальную возможность обработки изолированных мишеней и высокотемпературных диэлектриков, без создания специальных условий для нейтрализации заряда пучка.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Климов А.С., Бурдовицин В.А., Оке Е.М. О возможности электроннолучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форва-куумной области давлений. Письма в Журн. техн. физики. - 2009. Т. 35, вып. 11.-С. 61-66.

2. Климов А.С., Бурачевский Ю.А., Бурдовицин В.А., Оке Е.М. Использование разряда с неоднородным протяженным полым катодом для повышения плотности тока в форвакуумном плазменном источнике ленточного пучка электронов. Журн. техн. физики. - 2008. - Т. 78, Вып. 4. - С. 43-46.

3. Климов А.С., Бурачевский Ю.А., Бурдовицин В.А., Оке Е.М., Федоров М.В. Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника ленточного электронного пучка. Журн. техн. физики. - 2006, Вып. 76, №. 10. -С. 62-65. (эксперимент)

4. Климов А.С., Бурдовицин В.А., Оке Е.М. Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений. Изв. вузов. Физика. - 2007. - №6. -С. 3-10. (модель)

5. Климов А.С., Бурачевский Ю.А., Жирков И.С. Тлеющий разряд с неоднородным полым катодом для форвакуумных плазменных источников электронов. Доклады томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2008,2(18), Ч. 2. - С. 53-58.

6. A.S. Klimov, V.A. Burdovitsin, Е.М. Oks Fore-Pump Plasma Source of Ribbon Electron Beam with Raised Power Density and Some its Application 15th International Symposium on High Current Electronics: Proceedings. Tomsk: Publishing house of the IAO SB RAS. - 2008. - P. 26-28.

7. A. S. Klimov, V.A. Burdovitsin, Yu.A. Burachevsky, E.M. Oks. Ribbon electron beam with increased current density generated by plasma gun based on discharge with extended non uniform hollow cathode. Изв. вузов. Физика. - 2007. -№9. Приложение. - С. 110-114.

8. A. Klimov, Е. Oks, A. Burdovitsin, Y. Burachevsky Ribbon beam electron gun based on discharge with extended hollow cathode Book of abstracts, 34 й international Conference on Plasma Science, 3P62, June 17-22, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA.-P. 392.

9. A. Klimov, V. Burdovitsin, Yu. Burachevsky, E. Oks, M. Fedorov Discharge localization in split aperture of extended hollow cathode. Изв. вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение. - С. 117-119.

10. V.A. Burdovitsin, Yu.A. Burachevsky, E.M. Oks , A.S. Klimov, A.V. Tjunkov. Ribbon beam generation by plasma cathode electron source. Electro-technica & Electrónica. - 2009. - 44, No. 5-6. - P. 198-200.

11. Климов A.C., Бурдовицин B.A., Оке E.M. Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на

основе разряда с протяженным полым катодом. Труды Ш международного крейделевского семинара «Плазменная эмиссионная электроника». - Улан-Удэ, Россия, июнь 2009. - С. 105-111.

12. Климов A.C. О возможности применения электронного пучка для обработки диэлектрических материалов. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 24-28 марта 2008 г. Труды в 3-х т. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. -Т.З.-С. 66-68.

13. Климов A.C., Степанов П.С. Влияние геометрии протяженного полого катода на параметры разряда и эмиссионные характеристики источника ленточного электронного пучка. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 26-30 марта 2007 г. Труды в 3-х т. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - Т.З. -С. 60-62.

14. Климов A.C. Полый катод сложной конфигурации в источнике ленточного электронного пучка. Доклады Международной научно-практической конференции: Электронные средства и системы управления (31 окт. - 3 ноябр.

2007 г.) - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. В 2 ч. Ч. 2. - С. 5-7.

15. Климов A.C. О неоднородности распределения плотности плазмы в протяженном полом катоде. Доклады Международной научно-практической конференции: Электронные средства и системы управления (12 - 14 октября. 2005 г.) Томск: Издательство Института Оптики атмосферы СО РАН. - 2005. В 2 ч. 4.2.-С. 34-36.

16. Климов A.C., Барков A.B. Электронно-лучевая обработка диэлектриков. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР - 2008»: Томск, 5-8 мая 2008 г. - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2008. Ч. 1. - С. 220-222.

17. Климов A.C., Степанов П.С. Разряд с составным полым катодом и его применение в источнике ленточного электронного пучка. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР - 2007»: Томск, 3-7 мая 2007 г. - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. Ч. 1. - С. 252-255.

18. Климов A.C., Медовник А. В. Повышение плотности эмиссионного тока в источнике ленточного электронного пучка. Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2006»: Томск, 4-7 мая 2006 г. - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2006. Ч. 1. - С. 318-321.

19. Климов A.C., Барков A.B. Поведение керамических материалов при термической обработке электронным лучом. Физика твердого тела: Сборник материалов XI Российской научной студенческой конференции (13-15 мая

2008 г., Томск). - Томск: томский государственный университет, 2008. -С. 167-170.

Тираж 100. Заказ № 904. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.:53-30-18.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Климов, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ, ФОРМИРУЮЩИЕ ПУЧКИ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ.

1.1. Принципы формирования пучков большого сечения в системах с плазменными катодами.

1.2. Неоднородности и неустойчивости, наблюдающиеся в разрядах низкого давления.

1.3. Особенности формирования пучков большого сечения плазменными источниками в форвакуумной области давлений.

1.4. Выводы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. НЕУСТОЙЧИВОСТИ В РАЗРЯДНОЙ СИСТЕМЕ С ПРОТЯЖЕННЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ ФОРВАКУУМНОГО ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОНОВ.

2.1.Техника эксперимента и методика измерений.

2.2.Неоднородности параметров плазмы в разряде с протяженным полым катодом.

2.3.Формирование плазмы с повышенной плотностью вблизи эмиссионной границы.

2.4.Вывод ы.

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ В ФОРВАККУМНОЙ ОБЛАСТИ ДАВЛЕНИЙ ЛЕНТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ РАЗРЯДА С ПРОТЯЖЕННЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ.

3.1.Техника эксперимента и методика измерений.

3.2.Разряд с неоднородным протяженным полым катодом в источнике ленточного электронного пучка.

3.3.Анализ разрядных процессов в составной катодной полости.

3.4.Выво д.

ГЛАВА 4. ФОРВАКУУМНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЛЕНТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ТОКА НА

ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПРОТЯЖЕННЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ.

4.1.Конструктивные особенности электронного источника.

4.2.Характеристики электронного источника и его эксплуатационные параметры.

4.3.Применение источника ленточного пучка для обработки высокотемпературных диэлектриков.

4.3.1. Потенциал изолированной мишени при ее облучении электронным пучком в области повышенных давлений.

4.3.2. Особенности взаимодействия электронного пучка с диэлектрической мишенью.

4.3.3. Плавка и сварка керамики.

4.4 Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодом"

Повышение производительности установок, предназначенных для электроннолучевой обработки больших поверхностей, требует создания источников пучков большого сечения, в частности пучков ленточной конфигурации. Среди подобных источников особый интерес представляют устройства, способные генерировать пучок в условиях предварительного вакуума или форвакуума, достигаемого использованием лишь механических средств откачки.

В проведенных ранее исследованиях была показана принципиальная возможность создания источника ленточного электронного пучка способного функционировать в фор-вакуумной области давлений (1-15 Па). Было установлено, что в этой области давлений однородность ленточного электронного пучка, формируемого плазменным источником электронов, определяется не только процессами генерации эмиссионной плазмы, но и влиянием обратного потока нонов, образованных в ускоряющем промежутке и области транспортировки электронного пучка. Между ионным потоком и плотностью эмиссионной плазмы существует положительная обратная связь, многократно усиливающая локальную неоднородность эмиссионного тока. На основе проведенных исследований был создан не имеющий аналогов простой и надежный электронный источник с плазменным катодом, который в форвакуумном диапазоне давлений позволяет получать электронный пучок ленточной конфигурации со стабильными параметрами. Формирование пучка осуществляется за счет эмиссии электронов из разряда с полым катодом в остаточной атмосфере вакуумной камеры без использования напуска газа и системы дифференциальной откачки. На базе разработанного источника реализован так называемый плазменно-пучковый разряд, а также показана возможность применения такого генератора плазмы в технологии осаждения покрытий.

Несмотря на то. что сам факт генерации ленточного электронного пучка в форваку-умной области давлений представляет собой «прорыв» в развитии плазменной эмиссионной электроники, достигнутые плотности тока пучка (10 мА/см2), тем не менее, оказались все же недостаточными для ряда принципиальных применений. Это делает задачу поиска путей увеличения плотности тока ленточного электронного пучка, генерируемого в фор-вакуумной области давлений, актуальной как в физическом аспекте, так и с точки зрения практического использования таких электронных пучков.

Цель работы состояла в проведении комплекса исследований, направленных на повышение плотности тока, генерируемого плазменным источником ленточного пучка электронов в форвакуумной области давлений. В задачу работы также входила модернизация на основе проведенных исследований существующего источника электронов для обеспечения в ленточном электронном пучке плотности тока не менее 100 мА/см2, достаточной для поверхностной обработки и плавки ряда материалов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий в форвакуумной области давлений (1-15 Па) генерацию ленточного электронного пучка с током до 800 мА, энергией до 10 кэВ и плотностью эмиссионного тока до 200 мА/см2.

2. Существенно расширен диапазон возможных технологических применений плазменных электронных источников, в частности, показана возможность использования разработанного устройства для плавки, сварки и размерной обработки высокотемпературных диэлектриков.

3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в других устройствах, имеющих аналогичные разрядные структуры и функционирующих в области повышенных давлений, а именно: ионно-плазменных напылительных установках, генераторах низкотемпературной плазмы, источниках ионов.

Содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что в плазменном источнике электронов на основе разряда с протяженным полым катодом, генерирующим ленточный пучок в форвакуумном диапазоне давлений, при уменьшении ширины выходной щели катодной полости до величины, когда отношение площади щели к площади стенок полости достигает некоторого критического значения, возникает неустойчивость, связанная с резким повышением плотности плазмы в локальной области вдоль катодной щели и обусловливающая возрастание неоднородности распределения плотности тока пучка, проявляющейся в виде так называемых «эмиссионных струй». Определено, что вероятной причиной возникновения этой неустойчивости является лавинообразное раскрытие ионных оболочек в локальной области щелевпдной апертуре катодной полости, сопровождающееся «стягиванием» разряда и ростом концентрации плазмы в области локализации.

2. Возникновение неустойчивости токопрохождепия в катодной полости разрядной системы форвакуумного плазменного источника электронов может быть затруднено размещением внутри полости дополнительного нитевидного анода. Однако наличие дополнительного анода обеспечивает равномерное горение разряда только при условии, когда практически весь разрядный ток замыкается на этот анод. В этом случае эффективность извлечения электронов из плазмы разряда снижается с 80-100% до 15-20%. Принудительное уменьшение доли тока разряда на дополнительный анод повышает эффективность извлечения электронов, но вновь приводит к появлению неустойчивости тока.

3. Применение в форвакуумном источнике ленточного электронного пучка разрядной системы с составным полым катодом позволяет повысить концентрацию плазмы вблизи эмиссионной границы без нарушения ее однородности по длине (продольному размеру) катодной полости. Это в свою очередь приводит к увеличению в 1.5-2 раза плотности тока электронного пучка. Положительный эффект обусловлен взаимовлиянием двух областей катодной полости, в результате которого плазма из расширенной катодной полости проникает в сужение, а поток электронов из узкой части полости в свою очередь вызывает появление осевого максимума в поперечном распределении плазмы в области эмиссии электронов и формирования электронного пучка.

4. В результате проведенных исследований создан плазменный источник электронов на основе разряда с полым катодом, генерирующий при рабочих давлениях до 15 Па электронный пучок ленточной конфигурации с поперечным сечением 100x4 мм", плотностью тока 200 мА/см2, энергией до 10 кэВ и неоднородностью распределения плотности тока по ширине пучка, не превышающей 10%.

5. Генерация плотной плазмы при транспортировке ленточного электронного пучка, формируемого созданным источником, в форвакуумной области давлений обеспечивает практически полную компенсацию заряда, накапливаемого на изолированной мишени, что дает принципиальную возможность обработки изолированных мишеней и высокотемпературных диэлектриков без создания специальных условий для нейтрализации заряда пучка.

Материалы диссертационной работы опубликованы в статьях [62, 66, 76, 83, 92], в сборниках докладов международных конференций [72, 75, 77, 78. 87, 94, 95], в трудах конференций Всероссийского и регионального масштабов [67, 79, 86, 91].

Результаты работ докладывались и обсуждались на XIV и XV Международных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2006 г. и 2008 г.), на 34 Международной конференции по физике плазмы (ICOPS, 2007, New Mexico, USA), на 10 Международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007 г.), на III Международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ. 23-30 июня 2009 г.), на Международных научно-практических конференциях «Электронные средства и системы управления» (Томск, Россия, 2006г., 2007г.), на 13-он и 14-ой Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск, 2007 г., 2008 г.), на XI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (Томск, 2008 г.), на Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР» (Томск, 2006 г., 2007 г., 2008 г.).

Работы по данной тематике поддержаны грантами РФФИ (08-08-00015-а, 08-0812005 ОФИ, 05-08-01319), грантом по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия МФС в НТС (госконтракт №6343р/8839), а также грантом Минобрнауки по программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2.1.2/1951).

Созданный па основе проведенных исследований источник электронов с плазменным катодом используется на кафедре физики ТУСУРа для проведения исследований и выполнения хоздоговоров и контрактов.

Личный вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик эксперимента, проведении исследований и анализе их результатов. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводилось совместно с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации, на основании которых разработана конструкция источника электронов с ленточной конфигурацией пучка. Окончательная редакция защищаемых научных положений и выводов по работе осуществлялась совместно с научными руководителями при активном творческом участии соискателя.

В заключение автор искренне благодарит своего научного руководителя д.т.н., профессора В.А. Бурдовицина и заведующего кафедрой физики ТУСУРа д.т.н., профессора Е.М. Окса, взявших на себя кропотливую работу по формированию личности автора как исследователя и человека, к.т.н., доцента Ю.А. Бурачевского за помощь в проведении экспериментов и ценные замечания. Автор признателен сотрудникам лаборатории НИЧ кафедры физики ТУСУРа за проявленный интерес и поддержку работы.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Климов, Александр Сергеевич, Томск

1. Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. - М.: Атомиздат, 1977. -144 с.

2. Плазменные процессы в технологических электронных пушках / М.А. Завьялов, Ю.Е. Крейндель, А.А. Новиков, Л.П. Шантурин. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 256 с.

3. Источники электронов с плазменным эмиттером / Сборник статей под редакцией профессора Ю.Е. Креннделя. Новосибирск: Наука, 1983. - 120 с.

4. Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером / Сборник статей под редакцией профессора П.М. Щанина. Екатеринбург: Наука, 1993. - 152 с.

5. Известия ВУЗов «Физика» / Тематический выпуск «Плазменная эмиссионная электроника», под редакцией профессора П.М. Щанина. Том. 44. выпуск 9. 2001. - 96 с.

6. Oks Е.М. Physics and technique of plasma electron sources // Plasma Sources Sci. Technol. 1992. V.l. - P. 249-255.

7. Oks E.M. and Schanin P.M. Development of plasma cathode electron guns. // Physics of Plasmas. 1999. -vol.7, no.5. - P. 1649 - 1654.

8. Broad beam electron guns with plasma cathodes / N.N. Koval, E.M. Oks, Yu. E. Kreindel, P.M. Schanin and N.V. Gavrilov // Nucl. Instrum. Mathods in Phys. Research. 1992, A312.-P.417-428.

9. Gushcnets V.I., Oks E.M., Yushkov G.Yu., Rempe N.G. Current Status of the Plasma Emission Electronics: I. Basic Physical Processes // Laser and Particle Beams. 2003. -Vol. 21. No. 2.-P. 123-138.

10. И. I Всесоюзное совещание по плазменной эмиссионной электронике. Сборник докладов. Улан-Удэ, Бурятский научный центр СО РАН, 1991. - 152 с.

11. Труды II международного крейделевского семинара «Плазменная эмиссионная электроника». Улан-Удэ, Россия, июнь 2006. - С. 97-100.

12. Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения. -М.: Энергоатомиздат, 1984. — 112 с.

13. Оке Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения. Томск, Издательство НТЛ, 2005. - 216 с.

14. Крейндель Ю.Е., Мартене В.Я., Съеднн В.Я., Гавринцев С.В. Электронная пушка непрерывного действия с плазменным катодом большой площади // Приборы и техника эксперимента. 1982, №4.-С. 178-180.

15. Оке Е.М., Щанин П.М. Высоковольтный источник электронов с плазменным катодом и высокой плотностью энергии пучка в импульсе // Приборы и техника эксперимента. 1988. — вып.З. - С. 166-169.

16. Гаврилов Н.В. Ковальчук Б.М., Крейндель Ю.Е., Толкачев B.C., Щанин П.М. Высоковольтный электронный источник с плазменным эмиттером для формирования пучков большого сечения // Приборы и техника эксперимента. — 1981. Вып.З. -С.152-154.

17. Гаврилов Н.В., Осипов В.В., Бурев О.А., Емлин Д.Р., Каменецких А.С. Шитов

18. B.А. Плазменный катод электронного ускорителя с большим сечением пучка // Письма в ЖТФ. 2005. - Т.31. - Вып.З. - С.72-78.

19. Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Оке Е.М, Федоров М.В. Особенности формирования однородного ленточного пучка электронов плазменным источником в форвакуумной области давлений // ЖТФ. 2004. - Т. 74, № 1. - С. 104-107.

20. Бурдовицин В.А., Оке Е.М., Федоров М.В. Параметры «плазменного листа», генерируемого ленточным электронным пучком в форвакуумной области давлений // Известия ВУЗов. Физика, 2004, №3. С.74-77.

21. V. Burdovitsin, Yu. Burachevsky, Е. Oks, М. Fedorov. Fore-Vacuum Plasma Electron Gun of Ribbon Beam / AIP Conference Proceedings, ГСОРР-2002, June 11. 2003. -Vol.669, Issue 1. - P.358-360.

22. Бурдовицин В.А, Бурачевский Ю.А., Оке Е.М., Федоров М.В. Электронный источник с плазменным катодом для генерации ленточного пучка в форвакуумном диапазоне давлений // Приборы и техника эксперимента 2003. - №2. — С. 127-129.

23. Федоров М.В. Плазменный источник электронов для генерации пучка ленточной конфигурации в форвакуумном диапазоне давлений. Дисс. канд.техн.наук, Томск, ТУ СУР, 2005.

24. Бурдовицин В.А. Плазменные источники электронов на основе разряда с полым катодом для генерации для генерации непрерывных пучков в форвакуумном диапазоне давлений. Дисс., докт. техн.наук, Томск, ТУ СУР, 2005.

25. Федоров М.В. Распределение концентрации плазмы в протяженном полом катоде. Материалы региональной научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР-2003», 13-15 мая 2003 г., Томск, Россия. С. 62-64.

26. П.М.Щанин, H.H.Коваль, Ю.Х.Ахмадеев, С.В.Григорьев. Дуговой разряд с холодным полым катодом в скрещенных электрическом и магнитном полях // ЖТФ, 2004, том 74, в. 5.-С. 24-29.

27. Галанский B.JL, Груздев В.А., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Источники электронов с плазменным эмиттером на основе отражательного разряда с полым катодом // Известия ВУЗов. Физика, 1992, Т. 35, № 5. С. 5-23.

28. Москалев Б.И. Особенности отрицательного свечения, расположенного внутри полого катода тлеющего разряда // ЖТФ 1988. - Т.58. - №10. - С. 2056-2059.

29. Н.В. Гаврплов, Д.Р. Емлип Повышение эффективности ионного эмиттера на основе тлеющего разряда с осциллирующими электронами // ЖТФ, 2003, том 73, вып. 9. -С. 107-112.

30. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. -Москва, Энергоатомиздат 1991г. 302 с.

31. Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Мытников А.В., Оке Е.М. О предельном рабочем давлении плазменного источника электронов на основе разряда с полым катодом // ЖТФ, 2001, Т. 71, в. 2. С. 48-50.

32. Недоспасов А. В., Хаит В. Д. Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1979. - 168 с.

33. Велихов Е. П., Письменный В. Д., Рахимов А. Т. Несамостоятельный газовый разряд, возбуждающий непрерывные С02-лазеры / Успехи физических наук. 1977, т. 122.-С. 419-447.

34. Ввсдснов А. А. Физика электроразрядных СО2 лазеров. - М.: Эиергоиздат, 1982.- 112 с.

35. Трубников Б.А. Теория плазмы: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1996.-461 с.

36. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. руководство: Для вузов-2-е изд., перераб. и доп. М: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит. - 1992. - 536с.

37. Ecker G., Kroll W., Zoller О. // Thermal Instability of the Plasma Column / Phys. Fluids. 1964. V. 7. P. 2001-2006.

38. Акишев Ю. С, Напартович А. П., Пашкин С. В. Исследование прилипательной неустойчивости в тлеющем разряде в потоке воздуха / Физика плазмы, 1978, т. 4, вып. 1. -С. 152-158.

39. Nighan W. L. In Principles of Laser Plasmas Ed. G. Bckefi. N. Y.: Wiley Interscience. 1976. Chapter 7.-P. 257.

40. Голубовский Ю. Б., Зинченко А. К., Каган Ю. М. Исследование положительного столба в неоне при повышенных давлениях // ЖТФ, 1977, т. 47. -С. 1478-1485.

41. Велихов Е. И., Голубев В. С., Пашкин С. В. Тлеющий разряд в потоке газа / Успехи физических наук. Т. 137. вып.1. — 1982 г . — С. 117-146.

42. Недоспасов А.В. Страты / Успехи физических наук. Т.94. вып.З. 1968г. -С. 439-462.

43. Б.А. Князев. Низкотемпературная плазма и газовый разряд: Учебное пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск. 2003. - 290с.

44. Garscadden A. Ionization Waves: In Gaseous Electronics, v. 1. Electrical Discharge / Eds M.N. Hirsh and H. J. Oskem. N. Y.: Academic Press. - 1978. - P. 5-14.

45. Пекарек Л. Ионизационные волны (страты) в разрядной плазме / Успехи физических наук. 1968. Т. 94. - С. 463-500.

46. Roth J. R. Industrial Plasma Engineering, V.l: Principles. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing. - 1995.

47. Гаврилов H.B., Осипов B.B., Буреев O.A., Емлин Д.Р., Каменецких А.С., Шитов В.А. Плазменный катод электронного ускорителя с большим сечением пучка // Письма в ЖТФ. 2005. - Т. 31. вып. 3. - С. 72-78.

48. Метель АС. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом // ЖТФ. 1984. - Т. 54. В. 2. - С. 241-247.

49. Бурдовицин В.А., Куземченко М.Н., Оке Е.М. Об электрической прочности ускоряющего промежутка плазменного источника электронов в форвакуумном диапазоне давлений // ЖТФ. 2002. - Т.72, № 7. - С. 134-136.

50. Жирков И.С., Бурдовиции В.А., Оке Е.М., Осипов И.В. Инициирование разряда в плазменном источнике электронов с полым катодом // ЖТФ. — 2006. Т. 76, вып. 10. — С. 128-132.

51. Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Оке Е.М., Федоров М.В. Электронный источник с плазменным катодом для генерации ленточного пучка в форвакуумном диапазоне давлений // Приборы и техника эксперимента. 2003. - №2. - С. 127 - 129.

52. Мытников А. В., Оке Е. М., Чагин А.А. Источник электронов с плазменным катодом для генерации пучков в форвакуумном диапазоне давлений // Приборы и техника эксперимента. 1998. - № 2. - С. 95-98.

53. S.G. Walton, C. Muratore, D. Leonhardt, R.F. Fernsler Electron-beam-generated plasmas for materials processing // Surface & Coatings Technology, 186. 2004. - P. 40-46.

54. Федоров М.В., Мальцев М.С. Установка для нанесения покрытий большой площади. Материалы 8-ой Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела. Май 14-16. 2002. - Томск. Россия. - С. 96-98.

55. Федоров М.В. Применение плазменного электронного источника для инициирования пучкового разряда и осаждения покрытий / «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», Сборник статей молодых ученых. -Томск, ТГУ. 2003. - С. 133-135.

56. Лакида П.А., Федоров М.В., Бурдовицин В.А. Осаждение твердых углеродных пленок из плазмы пучкового разряда. Материалы всероссийской научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР-2004», 18-20 мая 2004 г. Томск, Россия. - 2004. -С. 74-76.

57. Лакида П.А., Федоров М.В. Управление свойствами пленок, получаемых плазмохимическим осаждением. Материалы XI российской научной студенческой конференции по физике твердого тела, 12-14 мая 2004 г. Томск, Россия. - 2004. — С.96-98.

58. Климов А.С., Бурдовицин В.А., Оке Е.М. Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений / Изв. вузов. Физика. — 2007. №6. - С. 3-10. (модель)

59. Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. Мир, 1967.250с.

60. Методы исследования плазмы. (Спектроскопия, лазеры, зонды) / Под ред. В. Лохте-Хольтгревена. М.: Мир. - 1971. - 552 с.

61. Burdovitsin V., Oks Е. Hollow-Cathode Plasma Electron gun for Beam Generation at Fore-pump Gas Pressure. Rev.Sci.Instrum. 1999. -V. 70, №7. - P. 2975 -2978.

62. Бурдовицин B.A., Климов A.C., Оке E.M., Федоров М.В. Локализация плазмы в протяженном полом катоде плазменного источника ленточного электронного пучка // ЖТФ 2006 - Т. 76 - Вып. 10 - С. 62-65. (эксперимент)

63. Н.В. Гаврилов, В.В. Осипов, О.А. Буреев и др. Плазменный катод электронного ускорителя с большим сечением пучка // Письма в ЖТФ. 2005. — Т. 31, вып. 3. - С. 72-78.

64. Левитский С.М. Сборник задач и расчетов по физической электронике. Изд-во Киевского университета. 1964. - 212с.

65. Burdovitsin V.A., Burachevskii Yu. A., Oks Е. М., et al. //Proc. of 5th Int. Conf. on Surface Modification by Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk - 2000 - Russia. -P. 143-146.

66. A. Klimov, V. Burdovitsin, Yu. Burachevsky, E. Oks, M. Fedorov. Discharge localization in split aperture of extended hollow cathode / Изв. вузов. Физика. 2006. - №8. Приложение. - С. 117-119.

67. Burdovitsin V.A., Burachevsky Yu.A., Oks E.M. Klimov A.S., Tjunkov A.V. Ribbon beam generation by plasma cathode electron source. Electrotechnica & Electronica. -2009. 44, No. 5-6. - P. 198-200.

68. Тихомиров A.A., Сысун В.И., Гостев В.А. Прпанодная область микроплазменного источника с острийным анодом / Прикладная физика. 2008. - № 4. - С. 49-52.

69. Сысун В. И., Гостев В. А., Тихомиров А. А. Распределение концентрации в микроплазменном источнике с малым анодом / Материалы Всероссийской научнойконференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2007. Петрозаводск. — 2007.-С. 109-110.

70. Бурдовицин В.А., Галанский В.Л., Груздев В.А., Зеленский В.И., Репин М.Ф. Аксиальное распределение параметров плазмы в катодной полости отражательного разряда //ЖТФ.- 1993.-Т. 63. Вып. 1.-С. 184-189.

71. Метель А.С., Настюха А.И. Роль дополнительной ионизации газа осциллирующими электронами в области катодного падения тлеющего разряда с полым катодом // Известия высших учебных заведений, Радиофизика. 1976. - Т. 19, № 12. — С. 1884-1890.

72. Визирь А.В., Оке Е.М., Шандриков М.В., Юшков Г.Ю. Генерация объемной плазмы на основе сильноточного газового разряда с внешней инжекцией электронов // Прикладная физика. 2004. - № 6. - С. 115-119.

73. Климов А.С., Бурачевский Ю.А., Жирков И.С. Тлеющий разряд с неоднородным полым катодом для форвакуумных плазменных источников электронов /

74. Доклады томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2008, 2(18), часть 2. С. 53-58.

75. Ольшанский Н.А. Зайцев К.И. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т. М.: Машиносторсние, 1978 - т.2. - 1978. - 462 е., ил.

76. Жирков И.С. Бурдовицин В.А., Оке Е.М., Осипов И. В. Особенности формирования узкосфокусированных электронных пучков, генерируемых источником с плазменным катодом в форвакуумном диапазоне давлений // ЖТФ. 2006. - Т. 76. Вып. 6. -С. 106-110.

77. Мартене В.Я. Потенциал изолированного электрода в системе плазма-электронный поток // ЖТФ. 1996. - Т. 66. Вып. 6. - С. 70-76.

78. Пехович А.П., Жидких В.М. Расчёты теплового режима твердых тел. — JL: Энергия. 1968.-309 с.

79. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 7-е, испр. Под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя. — JL: Изд-во Химия. — 1974. 200 с.

80. Бурдовицин В.А., Климов А.С., Оке Е.М. О возможности электронно-лучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений // Письма в ЖТФ. 2009. - Т. 35, вып. 11.-е. 61-66.