Генерация плазмы и формирование ионных пучков в источнике с сетчатым плазменным катодом и магнитным мультиполем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

Каменецких Александр Сергеевич

ГЕНЕРАЦИЯ ПЛАЗМЫ И ФОРМИРОВАНИЕ ИОННЫХ ПУЧКОВ В ИСТОЧНИКЕ С СЕТЧАТЫМ ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ И МАГНИТНЫМ

МУЛЬТИПОЛЕМ

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 2006

Работа выполнена в Институте электрофизики УрО РАН.

Научный руководитель:

доктор технических наук Гаврилов Н.В. (ИЭФ УрО РАН)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Волков Н.Б. (ИЭФ УрО РАН)

доктор технических наук, профессор Ремпе Н.Г.

(Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники)

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники

СО РАН, г. Томск

Защита состоится 25 апреля 2006 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 004.024.01 при Институте электрофизики УрО РАН по адресу: 620016, Екатеринбург, улЛмупдсена 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭФ УрО РАН. Автореферат разослан /^¿г^Ы"*? 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук / СюткшГН.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка плазменно-эмиссионных устройств подразумевает поиск наиболее эффективных способов генерации первичных электронов и формирования плазмы с требуемой концентрацией, зарядовым и массовым составом ионов, а также площадью эмиссионной поверхности и распределением плотности эмиссионного тока в характерных для работы устройства условиях.

Требования, предъявляемые к электронному эмиттеру и генератору плазмы в рамках конкретного технологического применения, накладывают ограничения на возможность использования тех или иных разрядных устройств и диапазон изменения их рабочих параметров. Преодолеть эти трудности и существенно расширить диапазон рабочих параметров ионных источников позволило использование двухступенчатых разрядных систем. В устройствах на основе двухступенчатого разряда первая ступень является плазменным катодом, во второй ступени создаются условия для наиболее полной энергетической релаксации инжектированных электронов и формирования ионного эмиттера. Оптимизация условий в каждой из ступени позволяет не только сформировать электронный и ионный эмиттер с требуемыми характеристиками, но и понизить рабочее давление, напряжение горения разряда, что способствует увеличению газовой экономности и энергетической эффективности ионного источника. Кроме того, образование первичных электронов в системах с холодным катодом, сопровождающееся распылением материала катода в результате ионной бомбардировки, происходит в первой ступени, что обеспечивает значительное снижение примесей ионов металла в пучке.

Дальнейшим шагом в развитии двухступенчатых систем является создание источников с сетчатым плазменным катодом, использование которого позволяет независимо изменять ток эмиссии и энергию быстрых электронов и управлять плотностью плазмы во второй ступени, зарядовым и массовым составом ионов. Для дальнейшего улучшения характеристик двухступенчатых источников с сетчатым плазменным катодом целесообразно использовать полый анод с периферийным магнитным полем, что обеспечит более эффективную энергетическую релаксацию электронов, инжектируемых во вторую ступень газоразрядной устройства, извлечение большей доли генерируемых ионов и улучшение пространственной однородности плазмы в области эмиссии ионов.

Таким образом, исследования генерации плазмы и формирования пучка в двухступенчатом ионном источнике с сетчатым плазменным катодом и многополюсной системой удержания быстрых электронов являются актуальными, способствуют улучшению параметров плазменно-эмиссионных устройств и развитию технологий, основанных на их использовании.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в исследовании процессов генерации плазмы и формирования пучка в двухступенчатом ионном источнике с сетчатым плазменным катодом и периферийным магнитным полем в области анода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка двухступенчатой газоразрядной системы на основе тлеющего разряда, сочетающей в себе сетчатый плазменный катод и многополюсную магнитную систему удержания быстрых электронов.

2. Исследование параметров катодной плазмы и режимов эмиссии сетчатого плазменного катода при наличии интенсивного обратного потока ионов.

3. Исследование параметров и ионно-эмиссионных свойств плазмы, генерируемой во второй ступени газоразрядной системы; определение условий, при которых достигается наибольшая энергетическая эффективность генерации ионов.

4. Изучение ионно-оптических свойств системы формирования пучка, влияния ионизации газа, резонансной перезарядки в области дрейфа пучка и ионно-электронной эмиссии с поверхности электродов на результаты электрических измерений тока пучка.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана двухступенчатая газоразрядная система, включающая в себя электронный эмиттер на основе тлеющего разряда с полым катодом и многополюсную магнитную систему удержания быстрых электронов в анодной ступени.

2. Определены условия, при которых обеспечивается устойчивая работа двухступенчатого газоразрядного устройства с сетчатым плазменным катодом и достигается наибольшая эффективность генерации ионов.

3. Показано, что в ионно-оптической системе с протяжённым слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом независимое управление напряжением на слое в характерном для двухступенчатого источника диапазоне 50 — 200 В и током пучка позволяет уменьшить угловую расходимость пучка при постоянном значении первеанса и повысить эффективность извлечения ионов из плазмы за счёт оптимизации положения и формы эмитирующей поверхности.

4. Предложена методика, основанная на использовании неэквипотенциального цилиндра Фарадея с изменяемой относительно заземлённого коллектора пучка полярностью потенциала стенок для исследования влияния процессов в области распространения пучка и на поверхности электродов на электрические измерения тока в цепи коллектора ионов и ускоряющего электрода ионно-оптической системы.

Научная и практическая ценность работы. Результаты исследований генерации плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе, режимов эмиссии сетчатого плазменного катода при наличии интенсивного обратного потока ионов, формирования пучка ионно-оптической системой с протяженным слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом открывают возможность существенного улучшения характеристик двухступенчатых ионных источников с сетчатым плазменным катодом. С помощью предложенной в работе методики на основе модифицированного цилиндра Фарадея может быть оценен вклад вторичных электронов, ионов перезарядки и ионов, образованных в области распространения пучка, в токи, измеряемые в цепи коллектора пучка и ускоряющего электрода, а также в широком диапазоне энергий определены значения

коэффициента ионно-электронной эмиссии коллектора и сечения резонансной перезарядки ионов пучка.

На основании проведённых исследований создан двухступенчатый источник, генерирующий пучки ионов газа с площадью поперечного сечения 50 см2 и током до 420 мА при рекордно высоком для источников на основе тлеющего разряда значении энергетической эффективности до 0,5 А/кВт. Устройство отвечает современному уровню требований, предъявляемых к источникам газовых ионов, что обеспечивает возможность его практического применения в ионно-лучевых технологиях нанесения покрытий.

Работа была выполнена в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» по контракту с Министерством промышленности, науки и технологии РФ № 40.030.11.1126.

Личный вклад соискателя состоит в создании экспериментального макета двухступенчатой газоразрядной системы, выборе методик исследования, непосредственном участии в выполнении всех этапов работы. Определение целей и задач исследований, обсуждение полученных результатов, их анализ и обобщение, редакция основных выводов и научных положений проводились совместно с научным руководителем д.т.н. Н. В. Гавриловым.

Обоснованность результатов работы подтверждает систематический характер исследований, соответствие экспериментальных и расчётных зависимостей, согласованность данных, полученных с использованием разработанной методики на основе модифицированного цилиндра Фарадея, и данных, приводимых в известных литературных источниках, реализацией выводов и научных положений при создании двухступенчатого ионного источника.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Использование в источнике газовых ионов двухступенчатой газоразрядной системы с сетчатым плазменным катодом на основе тлеющего разряда и многополюсным магнитным полем в области анода второй ступени обеспечивает высокую эффективность (0,5 А/кВт) генерации широких ионных пучков с равномерным (степень неоднородности не более 10%) распределением плотности тока (до 8 мА/см2) по сечению пучка.

2. Вклад в увеличение частоты ионизации и тока ионов из плазмы анодной ступени с магнитным мультиполем с ростом давления газа обусловлен повышением тока эмиссии электронов в результате увеличения плотности обратного потока ионов, изменения величины и знака анодного падения потенциала в тлеющем разряде с полым катодом и перехода плазменного катода в режим эмиссии электронов с открытой плазменной границы.

3. В двухступенчатой газоразрядной системе увеличение площади сетчатого плазменного катода и соответствующее повышение потенциала катодной плазмы обеспечивает снижение давления газа, при котором происходит переход в высокоэффективный режим эмиссии электронов, а уменьшение плотности обратного ионноЬ) потока способствует повышению величины предельного давления, ограничивающего диапазон устойчивости биполярного диода между плазмой первой и второй ступени.

4. Использование неэквипотенциального цилиндра Фарадея с изменяемой полярностью потенциала стенок позволяет определить в широком диапазоне значений энергии ускоренных ионов и давления газа значение коэффициента ионно-электронной эмиссии материала коллектора ионного пучка и сечения перезарядки ускоренных ионов, а также оценить вклад процессов ионизации газа быстрыми вторичными электронами и ускоренными ионами и перезарядки ионов пучка в частоту генерации медленных ионов в области дрейфа пучка.

Апробация результатов диссертационной работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на 10 Международной конференции по ионным источникам (Дубна, 2003), 7 Международной конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы (Томск, 2004 г.), 13 Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 2004 г.) и представлены в сборниках докладов конференций и статьях, список которых приведён в конце автореферата. По результатам работы получено 2 патента на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, списка используемых литературных источников. Общий объём диссертации составляет 162 страницы, включает в себя 60 иллюстраций, список используемых литературных источников из 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, определена основная цель работы, изложена её научная, практическая ценность и краткое содержание диссертации, формулируются выносимые на защиту научные положения.

В первой главе рассмотрены особенности генерации плазмы в двухступенчатых газоразрядных системах и дан обзор ионных источников, которые содержат плазменный катод в первой ступени и генератор плазмы с требуемыми параметрами и ионно-эмиссионными характеристиками во второй ступени.

Ионные источники этого типа имеют высокую энергетическую эффективность, позволяют генерировать пучки с высоким содержанием атомарных ионов газов при низком уровне содержания примесей. Необходимость увеличения ресурса работы двухступенчатых разрядных устройств, расширения возможностей их применения и диапазона рабочих параметров (использование химически активных газов, увеличение рабочего давления) привела к созданию источников на основе разрядов с холодным катодом.

В качестве электронного эмиттера в ионном источнике может быть использован сетчатый плазменный катод, свойства которого детально исследованы А. М. Жариновым, Н. Н. Ковалем, Е. М. Оксом и др. Введение сетки создаёт возможность для дополнительного ускорения эмитируемых электронов и обеспечивает увеличение энергетической эффективности источника, при этом ток эмиссии и энергия электронов могут задаваться независимо, что позволяет управлять плотностью плазмы, зарядовым и массовым составом ионов. Вывод, сделанный в результате анализа литературных данных по двухступенчатым источникам с холодным катодом, заключается в том, что для увеличения

6

энергетической эффективности генерации ионных пучков большого сечения и сохранении известных достоинств источников данного типа во второй ступени целесообразно использовать полый анод с периферийным магнитным полем.

Однако, использование сетчатого плазменного катода и многополюсной магнитной системы удержания быстрых электронов в двухступенчатом ионном источнике требует решения ряда ранее не рассматривавшихся задач, таких как исследования влияния потока ионов из анодной плазмы на режимы эмиссии и условия устойчивой работы сетчатого плазменного катода, изучение параметров плазмы во второй ступени источника с магнитным мультиполем и её ионно-эмиссионных свойств, оптимизация конфигурации многополюсной системы в устройстве с внешней инжекцией электронов.

Вторая глава посвящена исследованиям генерации плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с многополюсным магнитным полем в области анода. Приводится описание принципа работы разрядного устройства и конструкции экспериментального макета (рис. 1).

В первой ступени используется тлеющий разряд с полым катодом 1, инициируемый при помощи

поджигающего электрода 2. Напротив выходной апертуры полого катода устанавливается мелкоструктурная сетка 3, имеющая потенциал анода первой ступени. Между сеткой и анодной камерой 4 прикладывается напряжение, регулируемое в пределах 50 - 200 В, обеспечивающее ускорение первичных электронов. Анодная камера имеет форму цилиндра, соединённого со стороны сетки с коническим патрубком. Такая форма анодной камеры позволяет сократить площадь потерь инжектированных электронов и при этом обеспечить их инжекцию в область, где магнитное поле, создаваемое линейными рядами постоянных магнитов 5, имеет низкую напряженность и не оказывает существенного влияния на параметры плазмы. С противоположной от сетки стороны устанавливается экранный электрод б, имеющий одинаковый с сеткой потенциал. Для определения тока ионов, поступающих из анодной плазмы в первую ступень, устанавливался экран 7, также имеющий потенциал сетки.

В главе представлены экспериментальные доказательства того, что во второй ступени газоразрядной системы образуется плазма с положительным потенциалом 2 - 5 В и электронной температурой 1-8 эВ. Высокая стабильность параметров плазмы подтверждается измерениями энергетического спектра ионов, извлекаемых из плазм, из которого следует, что разброс ионов по энергиям составляет несколько эВ. Анодная плазма с концентрацией ~1012 см"3 обеспечивает распределение

7

Рис. 1. Электродная схема двухступенчатой газоразрядной системы. I - полый катод, 2 - поджигающий электрод, 3 - сетка, 4 - анодная камера, 5 - постоянные магниты, 6 - экранный электрод, 7 - экран.

плотности тока эмиссии со степенью радиальной неоднородности не более 6% в пределах области со слабым магнитным полем (напряженность поля менее 1,4*10"3 Тл). Ток эмиссии ионов увеличивается с ростом тока разряда и напряжения между анодом и сеткой. При увеличении давления газа ток ионов на экранный электрод вначале возрастает, а затем переходит в насыщение, что объясняется релаксацией первичных электронов до энергии, соответствующей потенциалу ионизации атомов рабочего газа. С помощью методики, предложенной Леунгом (Ьеищ; К. Ы.), было определено время удержания электронов в анодной камере, которое составило 3-5 мкс, при этом эффективность генерации ионов, определяемая, как отношение тока ионов, извлекаемых из плазмы, к току инжектированных электронов равна 1—2,5.

Эксперименты показали, что при включении второй ступени газоразрядной системы и возникновении обратного ионного потока в плазму первой ступени напряжение горения разряда снижается на ~20 В, что способствует увеличению энергетической эффективности устройства. Кроме того, с увеличением давления газа, напряжения на второй ступени и, следовательно, плотности обратного ионного потока возрастает потенциал катодной плазмы, и наблюдается смена знака анодного падения потенциала. Эмитируемые катодной плазмой электроны начинают перемещаться в тормозящем электрическом поле с минимум потенциала в центральной части ячейки сетки. Дальнейший рост плотности обратного ионного потока сопровождается увеличением напряжённости поля, ускоряющего электроны, что приводит к снижению потенциального барьера для электронов, а при полном его устранении переходу сетчатого плазменного катода в режим эмиссии с открытой плазменной поверхности. Данный режим эмиссии характеризуются повышенной эффективностью извлечения электронов, о чём свидетельствуют измерения тока на сетку и полученные с использованием этих данных зависимости эффективности извлечения электронов от давления газа и тока разряда.

Для заданного размера ячейки сетки увеличение ионного тока наблюдается в ограниченном диапазоне изменения давления газа (рис. 3). С увеличением размера ячейки сетки ионный ток возрастает, однако верхний предел диапазона давлений при этом снижается. При увеличении давления газа до значений, превышающих верхний предел указанного диапазона, ионный ток резко уменьшается, что является следствием нарушения устойчивости биполярного диода между плазмой первой и второй ступени. В экспериментах с использованием зондовых методов было установлено, что снижение ионного тока с ростом давления газа сопровождается существенным увеличением потенциала катодной плазмы. В результате напряжение на биполярном диоде

08

06

04

002

004

006

0.08 р, Па

Рис. 2. Зависимости эффективности извлечения электронов от давления газа. Ток разряда: I - 0,2; 2 - 0,4; 3 -0,6 А.. Напряжение между анодом и сеткой 150 В.

снижается до величины, на порядок меньшей напряжения на второй ступени (рис. 4), что приводит к значительному уменьшению энергии электронов, поступающих в анодную камеру.

4мЛ 500

400

300

200

100

0 02 0 04 0 06

0 08

0 12 р, Па

Рис. 3. Зависимости тока ионов на экранный электрод от давления газа. Шаг ячейки сетки: 1 - 0,6; 2-1,2 мм. Ток разряда 0,4 А. Напряжение между анодом и сеткой 150 В.

0.04

0 08

012

Дер, В

160

120

80

40

0

004

0.08

012 р, Па

0 16 Р. Па

Рис. 5. Зависимости энергетической эффективности газоразрядной системы от давления газа. Напряжение между анодом и сеткой 150 В. Ток разряда 0,4 А. Диаметр апертуры полого катода: 1-10; 2 - 20; 3 - 30 мм.

Рис. 4. Зависимости разности потенциалов между катодной и анодной плазмой от давления газа. Шаг ячейки сети: 1, 2, 3- 0,6; 4, 5, 6 - 1,2 мм. Напряжение на второй ступени: 1,4- 50; 2,4- 100; 3,6- 150 В. Ток разряда 0,4 А.

В работе было проведено исследование влияния площади плазменного катода на его эмиссионные свойства и установлено, что с увеличением площади плазменного катода возрастает эффективность извлечения электронов в результате повышения потенциала катодной плазмы. Кроме того снижается величина давление газа, при котором ток эмиссии электронов достигает значений тока разряда. Переход плазменного катода в режим эмиссии с открытой плазменной поверхности сопровождается

существенным увеличением

энергетической эффективности

газоразрядной системы (рис. 5). Повышение давления газа обеспечивает увеличение плотности анодной плазмы, тока эмиссии ионов и дальнейший рост энергетической эффективности в

диапазоне устойчивости биполярного диода. Максимальная величина энергетической эффективности составляла 2,2 А/кВт при давлении газа 0,1 Па и диаметре апертуры полого катода 20 мм.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по исследованию формирования пучка ионов газа с энергией до 6 кэВ ионно-оптической системой с протяжённым слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом.

В экспериментах с ростом напряжения на ионном слое наблюдалось уменьшение минимального угла расходимости пучка и соответствующего этому углу оптимального значения первеанса. При постоянной плотности тока эмиссии увеличение напряжения на ионном слое в диапазоне 50 - 200 В приводит к снижению величины минимального угла расходимости от 5 до 2,5°, оптимальное значение первеанса составляло 1,9 - 2,6*10"9 АГВШ. Такое поведение параметров связано с изменением положения и формы эмитирующей поверхности при изменении протяжности слоя пространственного заряда между плазмой и экранным электродом. Согласно предложенному в главе методу расчёта изменения первеанса, для сохранения положения эмитирующей поверхности между первеансом Р* в системе с ионным слоем между плазмой и экранным электродом протяжностью /э и первеансом в режиме эмиссии при бесконечно тонком слое Р должно выполняться следующее соотношение:

где /с - эффективная длина ускоряющего промежутка.

Слой пространственного заряда у экранного электрода оказывает влияние не только на угол расходимости и оптимальную величину первеанса пучка, но и на эффективность извлечения ионов. Из экспериментальных данных следует, что снижение напряжения на ионном слое у экранного электрода при постоянной плотности тока эмиссии, увеличение давления газа и связанное с этим уменьшение протяженности слоя пространственного заряда сопровождаются ростом эффективности извлечения ионов. С ростом первеанса влияние протяженности ионного слоя на эффективность извлечения ионов ослабевает. В диапазоне плотностей тока эмиссии 1,5 - 6 мА/см2 при увеличении напряжения на ионном слое от 50 до 200 В эффективность извлечения ионов уменьшается на 11 - 20%, рост эффективности извлечения в режиме с минимальным углом расходимости ионного пучка при увеличении давления газа в диапазоне (1 - 7)*10"2 Па составляет 10%.

Также в третьей главе предложена методика исследования процессов в области дрейфа пучка и их влияния на электрические измерения тока в цепи коллектора пучка и ускоряющего электрода. Методика основана на использовании неэквипотенциального цилиндра Фарадея (рис. 6), входным электродом которого является ускоряющий электрод ионно-оптической системы 1, а на стенки, ограничивающие область дрейфа пучка, 2 подаётся невысокий потенциал различной полярности относительно заземлённого коллектора пучка 3.

(1)

При анализе баланса токов на электроды были получены следующее выражения:

Г+// +// = /„,

С +///(Н у2) = /я (1 + 7|)+1, 71 + ехр(- арп0Ц = [// - 1С~ + (¡у

/;у(1+У2)]//л.

(2)

(3)

(4)

где /„, 1С, 1У - ток в цепи коллектора, стенок и ускоряющего электрода при положительном (+) и отрицательном потенциале (-) стенок; /„ - ток пучка; I,, - ток ионов, образованных в области дрейфа пучка в результате ионизации газа; ^ , у2 -коэффициент ионно-электронной эмиссии коллектора и ускоряющего электрода, соответственно; сгр - сечение резонансной перезарядки ионов пучка, щ -концентрация газа в области дрейфа пучка; I - расстояние между ускоряющим электродом и коллектором.

Были проведены измерения токов на электроды модифицированного цилиндра Фарадея для источников ионов с энергией 5,5 и 31 кэВ при изменении давления газа и получены зависимости, представленные на (рис. 7 а,б). Экстраполяция токовых зависимостей до нулевого давления позволила определить ток ионов пучка на выходе ионно-оптической системы и коэффициент ионно-электронной

эмиссии коллектора у\. В результате анализа зависимостей, проведённого с использованием соотношений (2) - (3), было определено сечение резонансной перезарядки, ток ионов перезарядки и ток ионов, образованных за счёт ионизации газа.

Согласно проведённым расчётам, сечение резонансной перезарядки для ионов аргона с энергией 5,5 кВ составляет 2,2* 10"'5 см2, для ионов с энергией 31 кэВ - 1,8*10"15 см2, а коэффициент ионно-электронной эмиссии коллектора из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ОД и 1,5 электрон/ион, соответственно. Анализ процессов в области распространения пучка, проведённый с помощь данной методики, подтвердил, что уменьшение тока, измеряемого в цепи коллектора, с ростом давления газа и протяжённости области распространения пучка обусловлено резонансной перезарядкой ионов пучка. Рост тока в цепи коллектора при увеличении энергии ионов пучка и постоянной величине тока пучка является следствием увеличения коэффициента ионно-электронной эмиссии коллектора и снижения сечения резонансной перезарядки.

Рис. 6. Электродная схема неэквипотенциального цилиндра

Фарадея. 1 - экранный электрод, 2 ускоряющий электрод, 3 - коллектор, 4 ~ стенки.

(а) (б)

Рис. 7. Зависимость величины у\ + ехр(-л„/.ар) (/), отношения тока ионов перезарядки Iv (2), тока ионизационных ионов /„ (3) к току лучка 1„ от давления газа. Энергия ионов аргона: а - 5,5; 6-31 кэВ.

Четвёртая глава посвящена описанию конструкции и характеристик ионного источника с сетчатым плазменным катодом и многополтосным магнитным полем в области анода, созданного на основе результатов проведённых исследований. Основными элементами конструкции источника (рис. 8) являются: охлаждаемый полый катод 1 с диаметром выходной апертуры 20 мм, сетка 2 с размерами ячейки 0,6x0,6 мм, цилиндрический полуй анод 3 с диаметром 150 мм, многополюсная магнитная система, состоящая из 12 линейных рядов постоянных магнитов 4 с напряженностью поля у полюсов 0,25 Тл и многоапертурная ионно-оптическая система, включающая молибденовый экранный 5 и ускоряющий 6 электрод с диаметром отверстий 4 мм.

Источник работает в диапазоне давлений газа (2 - 8)*10~2 Па при токе разряда 0,2 - 2 А, напряжении горения 360 - 470 В и напряжении на второй ступени 100 -200 В и генерирует пучки газовых ионов с энергией 5 кэВ, площадью поперечного сечения 50 см2 и током до 420 мА (рис. 9). Повышенное по сравнению с другими источниками на основе разряда с холодным катодом значение энергетической эффективности 0,3 - 0,5 А/кВт обеспечивается дополнительным ускорением электронов, поступающих из первой ступени источника; использованием режимов эмиссии сетчатого плазменного катода с эффективностью извлечения электронов, « близкой к единице; увеличением времени удержания быстрых электронов во второй ступени источника и доли ионов, извлекаемых из плазмы, за счёт экранирования поверхности анода многополюсным магнитным полем; использованием режимов извлечения ионов с минимальными потерями на электродах ионно-оптической системы.

290

Ряс. 8. Конструкция ионного источника. 1 - полый катод, 2 - сетка, 3 - анод, 4 - магниты, 5 - экранный электрод, б - ускоряющий электрод.

L мА

400

300

200

100

0 4 0 8 1.2 1 6 2 I, А

Рис. 9. Зависимости тока пучка ионов с энергией 5 кэВ от тока разряда. Напряжение на второй ступени Uг' 1 - 100, 2 - 150, 3 - 200 В. Давление газа 5,3*10"2 Па.

В заключении излагаются основные результаты и выводы по диссертационной работе, отмечается обоснованность результатов, и приводятся сведения об их апробации и публикации в печати.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что использование в источнике ионов газов двухступенчатой газоразрядной системы, включающей сетчатый плазменный катод на основе тлеющего разряда и полый анод с периферийным магнитным полем во второй ступени позволяет повысить энергетическую эффективность источника до 0,5 А/кВт. Ионный источник, созданный на основе проведённых исследований, генерирует пучки газовых ионов с энергией 5 кэВ, током до 420 мА, площадью поперечного сечения 50 см2, при этом степень неоднородности распределения плотности эмиссионного тока ионов не

; превышает 10%, а энергетический разброс эмитированных ионов составляет

единицы эВ.

2. Показано, что генерация плазмы во второй ступени, сопровождающаяся возникновением потока ионов в катодную плазму, приводит к снижению напряжения горения разряда и повышению потенциала плазмы электронного эмиттера. Увеличение плотности обратного ионного потока с ростом давления газа приводит к переходу сетчатого плазменного катода в высокоэффективный режим эмиссии с открытой плазменной поверхности, при этом увеличивается частота

ионизации и эффективность генерации ионов во второй ступени ионного источника.

3. Изучены особенности формирования пучка ионов с энергией 5 эВ ионно-оптической системой с протяженным слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом в диапазоне изменения напряжения на слое 50 -200 В. Показано, что при постоянном токе пучка, ускоряющем напряжении, диаметре отверстий и расстоянии между электродами ионной оптики изменение напряжения на слое в указанном диапазоне позволяет оптимизировать положение и форму эмиссионной поверхности для уменьшения угловой расходимости ионного пучка и увеличения эффективности извлечения ионов из анодной плазмы двухступенчатого источника.

4. Показано, что с увеличением площади плазменного катода и размера ячейки сетки снижается величина давления газа, при которой происходит переход плазменного катода в режим эмиссии с открытой плазменной поверхности. Увеличение размера ячейки сетки и уменьшение площади плазменного катода сопровождается снижением предельной величины давления газа, ограничивающей диапазон устойчивости биполярного диода между плазмой первой и второй ступени.

5. Предложена методика, основанная на использовании неэквипотенциального цилиндра Фарадея с изменяемой относительно коллектора ионного пучка полярностью стенок. Методика позволяет оценить вклад вторичных электронов и ускоренных ионов в ионизацию газа в области дрейфа пучка, а так же в широком диапазоне энергий ускоренных ионов определить значения коэффициента ионно-электронной эмиссии материала коллектора и сечения резонансной перезарядки ионов пучка.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ И ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. Ионно-эмиссионные свойства плазмы источника ионов газов с плазменным катодом. // ДАН, Физика, 2004, Т.394, №2, с.1.

2. Gavrilov. N. V., Kamenetskikh A. S. Glow-discharge-driven bucket ion source. // Rev. Sei. Instum., 2004, V.75, №5, p.1875.

3. Гаврилов H. В., Каменецких А. С. Характеристики источника с плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов. // ЖТФ, 2004, Т.74, В.9, с.97.

4. Гаврилов Н. В., Каменецких А. С., Мамаев А. С. Разработка источников ионов для ионно-плазменных технологий нанесения покрытий. // Вестник УГТУ-УПИ, 2004, №5 (35), 4.2, с. 195.

5. Гаврилов Н. В , Каменецких А. С. Источник ионов газов с сетчатым плазменным катодом. // ПТЭ, 2005, №2, с.107.

6. Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. Особенности функционирования плазменного катода с сеточной стабилизацией в двухступенчатом ионном источнике. // ЖТФ, 2006, Т.76, В.2, с.57.

7. Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. Экспериментальное исследование влияния процессов в области распространения ионного пучка на результаты электрических измерений тока пучка. // ЖТФ, 2006, Т. 76, В. 6, с. 32.

8. Gavrilov N. V., Kamenetskikh A. S. The features of gridded plasma cathode operation at ion sources. // Proc. of 13th International Symposium on High Current Electronics, Tomsk, 2004, p.45.

9. Gavrilov N. V., Kamenetskikh A. S. A broad beam ion source with a grid-bounded plasma cathode. // Proc of 7* International Conference on Modification of Material with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2004, p.61.

10. Патент РФ №2250577 Газоразрядный плазменный катод. / Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. / Заявл. 15.07.2003. Опубл. 20.04.2005. -Бюл. №11.

11. Патент РФ №2240627. Ионный источник с холодным катодом. / Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. / Заявл. 02.06.2003. Опубл. 20.11.2004. - Бюл. №32.

G SM

б 5 2 9

Введение.

Глава I. Особенности генерации плазмы в двухступенчатых газоразрядных системах.

1.1. Генерация плазмы в двухступенчатых газоразрядных системах.

1.2. Применение многополюсных магнитных систем в источниках ионов.

1.3. Свойства газоразрядного плазменного катода с сеточной стабилизацией.

1.4. Выводы и постановка задач исследований.

Глава II. Генерация плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с многополюсным магнитным полем в области анода.

2.1. Принцип работы и конструкция газоразрядной системы.

2.2. Вольтамперные характеристики разряда с полым катодом.

2.3. Параметры и ионно-эмиссионные свойства анодной плазмы.

2.3.1. Параметры анодной плазмы.

2.3.2. Эмиссионные свойства анодной плазмы.

2.4. Особенности работы плазменного катода в двухступенчатой газоразрядной системе.

2.4.1. Потенциал катодной плазмы и режимы эмиссии плазменного катода.!.

2.4.2. Устойчивость биполярного диода между плазмой первой и второй ступени.

2.4.3. Влияние площади плазменного катода на эмиссионные и энергетические характеристики газоразрядной системы.

2.5. Выводы.

Глава III. Формирование пучка в ионно-оптических системах с протяжённым ионным слоем между плазмой и экранным электродом.

3.1. Конструкция ионно-оптической системы.

3.2. Угловая расходимость пучка ионов.

3.2.1. Зависимость угла расходимости от первеанса.

3.2.2. Зависимость оптимального значения первеанса от напряжения на ионном слое.

3.2.3. Влияние напряжения на ионном слое на эффективность извлечения ионов из плазмы и минимальный угол расходимости пучка.

3.2.4. Влияние давления газа на эффективность извлечения ионов.

3.3. Экспериментальное исследование процессов в области распространения ионного пучка.

3.3.1. Схема эксперимента.

3.3.2. Баланс токов на электроды модифицированного цилиндра Фарадея.

3.3.3. Результаты экспериментов с модифицированным цилиндром Фарадея.

3.4. Выводы.

Глава IV. Источник широких пучков ионов газов с сетчатым плазменным катодом и магнитным мультиполем в области анода.

4.1. Конструкция ионного источника.

4.2. Рабочие характеристики источника.

4.1. Выводы.

Разработка плазменно-эмиссионных устройств подразумевает поиск. наиболее эффективных способов генерации первичных электронов и формирования плазмы с требуемой концентрацией, зарядовым и массовым составом ионов, а также площадью эмиссионной поверхности и распределением плотности эмиссионного тока в характерных для работы устройства условиях.

Требования, предъявляемые к электронному эмиттеру и генератору плазмы в рамках конкретного технологического применения, накладывают ограничения на возможность использования тех или иных разрядных устройств и диапазон изменения их рабочих параметров. Преодолеть эти трудности и существенно расширить диапазон рабочих параметров ионных источников позволило использование двухступенчатых разрядных систем. В устройствах на основе двухступенчатого разряда первая ступень является плазменным катодом, во второй ступени создаются условия для наиболее полной энергетической релаксации инжектированных электронов и формирования ионного эмиттера. Оптимизация условий в каждой из ступени позволяет не только сформировать электронный и ионный эмиттер с требуемыми характеристиками, но и понизить рабочее давление, напряжение горения разряда, что способствует увеличению газовой экономности и энергетической эффективности ионного источника. Кроме того, образование первичных электронов, сопровождающееся распылением и испарением материала катода в результате ионной бомбардировки и нагрева, происходит в первой ступени, что обеспечивает значительное снижение примесей ионов металла в пучке.

Важным шагом в развитии двухступенчатых систем было создание источников с сетчатым плазменным катодом, использование которого позволяет независимо изменять ток эмиссии и энергию быстрых электронов и открывает дополнительную возможность по управлению плотностью плазмы, зарядовым и массовым составом ионов. Для дальнейшего улучшения характеристик двухступенчатых источников ионов с сетчатым плазменным катодом целесообразно использовать электростатические и магнитные ловушки во второй ступени газоразрядной системы, что обеспечит эффективную энергетическую релаксацию электронов и генерации плотной плазмы. При этом важно, чтобы с использованием системы удержания электронов обеспечивалось извлечение значительной доли генерируемых ионов и равномерное распределение плотности тока эмиссии ионов. Указанные требования не допускают возможность эксплуатации ряда известных систем удержания электронов в источнике ионных пучков большого сечения, но могут быть выполнены при использовании у поверхности полого анода периферийного магнитного поля, создаваемого многополюсной магнитной системой.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что тематика диссертационной работы, направленная на исследование генерации плазмы и формирования пучка ионов в двухступенчатом ионном источнике с сетчатым плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов, представляется актуальной.

Цель работы заключалась в исследовании генерации плазмы и формирования пучка в двухступенчатом ионном источнике с- сетчатым плазменным катодом и периферийным магнитным полем в области анода:

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана двухступенчатая газоразрядная система, включающая в себя электронный эмиттер на основе тлеющего разряда с полым катодом и многополюсную магнитную систему удержания быстрых электронов в анодной ступени.

2. Определены условия, при которых обеспечивается устойчивая работа двухступенчатого газоразрядного устройства с сетчатым плазменным катодом и достигается наибольшая эффективность генерации ионов.

3. Показано, что в ионно-оптической системе с протяжённым ' слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом независимое управление напряжением на слое в характерном для двухступенчатого источника диапазоне 50 - 200 В и током пучка позволяет уменьшить угловую расходимость пучка при постоянном значении первеанса и повысить эффективность извлечения ионов из плазмы за счёт оптимизации положения и формы эмитирующей поверхности.

4. Предложена методика, основанная на использовании неэквипотенциального цилиндра Фарадея с изменяемой полярностью потенциала стенок для исследования влияния процессов в области распространения пучка и на поверхности электродов на результаты электрических измерений тока в цепи коллектора ионов и ускоряющего электрода ионно-оптической системы.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Результаты исследований генерации плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе, режимов эмиссии сетчатого плазменного катода при наличии интенсивного обратного потока ионов, формирования пучка ионно-оптической системой с протяженным слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом открывают возможность существенного улучшения характеристик двухступенчатых ионных источников с сетчатым плазменным катодом.

2. С помощью предложенной в работе методики на основе модифицированного цилиндра Фарадея может быть оценен вклад вторичных электронов, ионов перезарядки и ионов, образованных в области распространения пучка, в токи, измеряемые в цепи коллектора пучка и ускоряющего электрода, а также в широком диапазоне энергий определены значения коэффициента ионно-электронной эмиссии коллектора и сечения резонансной перезарядки ионов пучка.

3. На основании проведённых исследований создан двухступенчатый источник, генерирующий пучки ионов газа с площадью поперечного сечения 50 л см и током до 420 мА при рекордно высоком для источников на основе тлеющего разряда значении энергетической эффективности до 0,5 А/кВт. Устройство отвечает современному уровню требований, предъявляемых к источникам газовых ионов, что обеспечивает возможность его практического применения в ионно-лучевых технологиях нанесения покрытий.

Работа была выполнена в рамках Федеральной целевой научно-. технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» по контракту с Министерством промышленности, науки и технологии РФ № 40.030.11.1126.

Диссертационная работа состоит из четырёх глав.

В первой главе рассмотрены особенности генерации плазмы в двухступенчатых газоразрядных системах и устройствах с многополюсными магнитными системами удержания быстрых электронов, обоснована целесообразность совместного использования электронного эмиттера на основе тлеющего разряда с полым катодом в первой ступени и полого анода с периферийным магнитным полем во второй ступени, сделан вывод о необходимости исследования условий устойчивой работы и режимов эмиссии сетчатого плазменного катода, ионно-эмиссионных свойств анодной плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе.

Вторая глава посвящена исследованиям генерации плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с многополюсным магнитным полем в области анода. В главе представлена конструкция экспериментального макета, определены условия, при которых происходит переход сетчатого плазменного катода в режим эмиссии с открытой плазменной поверхности при наличии интенсивного обратного потока ионов, и условия, при которых нарушается устойчивость биполярного диода между катодной и анодной плазмой.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по исследованию формирования пучка газовых ионов ионно-оптической системой с протяжённым слоем пространственного заряда между плазмой и экранным электродом; предложена основанная на использовании неэквипотенциального цилиндра Фарадея методика исследования процессов в области дрейфа пучка и их влияния на электрические измерения тока в цепи коллектора пучка и ускоряющего электрода.

Четвёртая глава посвящена описанию конструкции двухступенчатого ионного источника с сетчатым плазменным катодом, и многополюсной магнитной системой в области анода, созданного на основе проведённых исследований, и его рабочих характеристик.

Полученные результаты позволяют сформулировать следующие научные положения:

1. Использование в источнике газовых ионов двухступенчатой газоразрядной системы с сетчатым плазменным катодом на основе тлеющего разряда и многополюсным магнитным полем в области анода второй ступени обеспечивает высокую эффективность (0,5 А/кВт) генерации широких ионных пучков с равномерным (степень неоднородности не более 10%) распределением плотности тока (до 8 мА/см ) по сечению пучка.

2. Вклад в увеличение частоты ионизации и тока ионов из плазмы анодной ступени с магнитным мультиполем с ростом давления газа обусловлен повышением тока эмиссии электронов в результате увеличения плотности обратного потока ионов, изменения величины и знака анодного падения потенциала в тлеющем разряде с полым катодом и перехода плазменного катода в режим эмиссии электронов с открытой плазменной границы.

3. В двухступенчатой газоразрядной системе увеличение площади сетчатого плазменного катода и соответствующее повышение потенциала катодной плазмы обеспечивает снижение давления газа, при котором происходит переход в высокоэффективный режим эмиссии электронов, а уменьшение плотности обратного ионного потока способствует повышению величины предельного давления, ограничивающего диапазон устойчивости биполярного диода между плазмой первой и второй ступени.

4. Использование неэквипотенциального цилиндра Фарадея с изменяемой полярностью потенциала стенок позволяет определить в широком диапазоне значений энергии ускоренных ионов и давления газа значение коэффициента ионно-электронной эмиссии материала коллектора ионного пучка и сечения перезарядки ускоренных ионов, а также оценить вклад процессов ионизации газа быстрыми вторичными электронами и ускоренными ионами и перезарядки ионов пучка в частоту генерации медленных ионов в области дрейфа пучка.

10

Результаты работы докладывались и обсуждались на 10 Международной конференции по ионным источникам (Дубна, 2003), 7 Международной конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы (Томск, 2004 г.), 13 Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 2004 г.) и представлены в сборниках докладов конференций [103, 109] и статьях [101, 102, 104, 105, 110, 111]. По результатам работы получено 2 патента на изобретение [100, 114].

Личный вклад соискателя состоит в создании экспериментального макета двухступенчатой газоразрядной системы, выборе методик исследования, непосредственном участии в выполнении всех этапов работы. Определение целей и задач исследований, обсуждение полученных результатов, их анализ и обобщение, редакция основных выводов и научных положений проводились совместно с научным руководителем д.т.н. Н. В. Гавриловым.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. Н. В. Гаврилову, под руководством которого была выполнена данная работа, и сотрудникам лаборатории пучков частиц ИЭФ УрО РАН за помощь, оказанную при создании ионного источника и проведении экспериментов.

153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Gavrilov N. V., Mesyats G. A., Radkovski G. V., Bersenev V. V. Development of technological sources of gas ions on the basis of hollow-cathode glow discharges. // Surface and Coating Technology, 1997, V.96, p.81.

2. Габович M. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972.

3. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. М.: Мир, 1967.

4. The physics and technology of ion sources. / edited by Brown I. G. Wiley-VCH Verlag Weinheim, 2004.

5. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

6. Грановский В. А. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971.

7. Месси Г., Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. М.: Изд. Иностранной литературы, 1958.

8. Andrews J. G., Allen J. E. Theory of double sheath between two plasmas. // Proc. Roy. Soc. Lond. A., 1971, V.320, p.459.

9. Goertz С. K., Joyce G. Numerical simulation of the plasma double layer. // Astrophysics and space science, 1975, V.32, p.165.

10. Joyce G., Hubbard R. F. Numerical simulation of the plasma double layers. // J. Plasma. Physics, 1978, V.20, p.391.1.. Block L. P. A double layer review. // Astrophysics and space science, 1978, V.55, p.59.

11. Langmuir I. The interaction of electron and positive ion space charge in cathode sheaths. // Phys. Rev., 1929, V.33, p.954.

12. Метель А. С. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом. // ЖТФ, 1984, Т.54, В.2, с.241.

13. Kelley G. G., Lasar N. Н., Morgan О. В., A source for the production of large dc ion currents. // Nucl. Instr. Methods, 1961, V. 10, p.263.

14. Bacon F. M. Gas Discharge ion source 1. Duoplasmatron. // Rev. Sci. Instrum., 1978, V.49, №4, p.427.

15. Morgan О. В., Kelley G. G., Davis R. C. Technology of intense dc ion beam. // Rev. Sci. Instrum., 1967, V.3 8, №4, p.467.

16. Демирханов P. А., Курсанов IO. В., Благовещенский В. M. Источник протонов высокой интенсивности. // ПТЭ, 1964, №1, с.ЗО.

17. Davis R. С., Morgan О. В., Stewart L. D., Stiring W. L. A multiaperture duopigatron ion source. // Rev. Sci. Instrum., 1972, V.43, №2, p.278.

18. Ruffel J. P., Douglas-Hamilton D. H., Kaim R. E., Izumi K. A high current, high voltage oxygen ion implanter. //Nucl. Instrum. Methods B, 1987, V.21, p.229.

19. Bacon F. M., Bickes R. W., O'Hagan J. B. Gas discharge ion source. II. Duopigatron. // Rev. Sci. Instrum., 1978, V.49, №4, p.435.

20. Stirling W. L., Tsai С. C., Ryan P. M. 15 cm Duopigatron ion source. // Rev. Sci. Instrum., 1977, V.48, p.533.

21. Menon M. M., Tsai С. C., Whealton J. H. et. all. Quasi-steady-state multimegawatt ion source for neutral beam injection. // Rev. Sci. Instrum., 1985, V.56, №2, p.242.

22. Завьялов M. А., Крейндель Ю. E., Новиков JI. П., Шатурин Л. П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. М.: Энергоатомиздат, 1989.

23. Ивлев А. М., Коржавый А. П., Москвина А. И. Долговечность алюминиевых катодов при малых давлениях газа. // Электронная техника, сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы, 1979, В.8(77), с.67.

24. Абрамович Л. Ю., Клярфельд Б. Н., Настич Ю. Н. Сверхплотный тлеющий разряд с полым катодом. // ЖТФ, 1966, Т.36, В.4, с.714.

25. Форрестер А. Т. Интенсивные ионные пучки. М.: Мир, 1992.

26. Вишневский А. И., Зильберберг В. Г., Карпинос Д. М. и др. Холодные катоды для газоразрядных высоковольтных устройств из керметов на основе двуокиси циркония. // Порошковая металлургия, 1968, №11(71), с.ЗЗ.

27. Новиков А. А., Мельник В. И., Морозов В. В., Бесов А. В. Разработка и исследование новых катодных материалов для устройств высоковольтного тлеющего разряда. // Электронная техника, сер. Материалы, 1983, В. 10(183), с.23.

28. Москалёв Б. И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969.

29. Крейндель Ю. Е. Плазменные источники электронов. М.: Атомиздат, 1977.

30. Мартене В. Я., Белюк С. И., Посохов В. Н. Источник газовых ионов непрерывного действия с пучком большого сечения. // ПТЭ, 1992, №2, с. 194.

31. Журавлёв Б. И., Прилепский В. В., Горлатов В. С. Технологический источник ионов. // ПТЭ, 1993, №3, с.215.

32. Луценко Е. И., Середа Н. Д., Концевой Л. М. Двойные электрические слои в прямом разряде. // ЖТФ, 1975, Т.45, В.4, с.789.

33. Johnson J. С., Merlino R. L., D'Angelo N. Double layers formed by ion-beam injection in a double-plasma device. // J. Phys. D.: Appl. Phys., 1989, V.22, p.1456.

34. Визирь А. В., Оке E. M., Щанин П. M., Юшков Г. Ю. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников. // ЖТФ, 1997, Т.67, В.6, с.27.

35. Limpaecher R., MacKenzie К. R. Magnetic multipole containment of large uniform collisionless quiescent plasmas. // Rev. Sci. Instrum., 1973, V.44, №6., p.726.

36. Leung K. N., Hershkowitz N., MacKenzie K. R. Plasma confinement by localized cusps. // Phys. Fluids., 1976, V.19, №7, p.i045.

37. Holmes A. J. T. Role of the anode area in the behavior of magnetic multipole discharges. // Rev. Sci. Instrum., 1981, V.52, №12, p. 1814.

38. Leung K. N., Kribel R. E., Goede A. P. H., Green T. S. Primary electron confinement measurement in a multipole device. // Phys. Lett., 1978, V.66A, №2, p.112.

39. Cope D., Keller J. H. Characterization of multipole ion source for ion implantation. // J. Appl. Phys., 1984, V.56, №1, p.96.

40. Глазунов В. H., Метель А. С. О механизме потерь быстрых электронов в тлеющем разряде с осциллирующими электронами. // Физика плазмы, 1982, Т.8, №5, с.1099.

41. Thorton J. A. Magnetron sputtering: basic physics and application to cylindrical magnetron. // J. Vac. Sci. Technol., 1978, V.15, №2, p. 171.

42. Оке E. M., Чагин А. А., Щанин П. M. Плазменный источник стационарных трубчатых электронных и ионных пучков. // ПТЭ, 1992, №2, с.183.

43. Клярфельд Б. Н., Неретина Н. А. Анодная область в газовом разряде при низких давлениях. // ЖТФ, 1958, Т.28, В.2, с.291.

44. Ehlers К. W., Leung К. N. Increasing the efficiency of multicusp ion source. // Rev. Sci. Instrum., 1982, V.53, №9, p.1429.

45. Ehlers K. W., Leung K. N. Characteristics of the Berkeley multicusp ion source.//Rev. Sci. Instrum., V.50, №11, p.1353.

46. Lee Y., Gough R. A., Kunkel W. B. A compact filament-driven multicusp ion source. //Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res., 1996, В 119, p.543.

47. Ehlers K. W., Leung K. N. Further study on magnetically, filtered multicusp ion source. // Rev. Sci. Instrum., 1982, V.53, №9, p. 1423.

48. Fumelli M., Valckx F. P. G. The periplasmatron, an ion source for intense neutral beams. // Nucl. Instrum. Methods, 1976, V.135, p.203.

49. Brainard J. P., O'Hagan J. B. Single-ring magnetic cusp ion source. // Rev. Sci. Instrum., 1983, V.54, №9, p.1497.

50. Wutte D., Freedman S., Gough R. et. all. Development of an rf driven multicusp ion source for nuclear science experiments. // Nucl. Instrum. Methods in Phys. Res., 1998, В 119, p.409.

51. Оке E. M. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения. Томск: Изд-во HTJI, 2005.

52. Семёнов А. П., Нархинов В. П. Плазменный эмиттер на основе тлеющего разряда в электродной структуре сетчатого и пластинчатого катодов большой площади. // ПТЭ, 1996, №3, с.98.

53. Белюк С.И, Осипов И. В., Ремпе Н. Г. Промышленное применение электронных источников с плазменным эмиттером. // Изв. вузов. Физика, 2001, №9, с.77.

54. Семёнов А. П., Нархинов В. П. Плазменный источник электронов с радиально сходящимся пучком. // ПТЭ, 1993, №2, с. 131.

55. Мытников А. В., Оке Е. М., Чагин А. А. Источник электронов с плазменным катодом для генерации пучков в форвакуумном диапазоне давлений. //ПТЭ, 1998, №2, с.95.

56. Гаврилов Н. В., Осипов В. В., Буреев О. А. и др. Плазменный катод электронного ускорителя с большим сечением пучка. // ЖТФ, 2005, Т.31, В.З, с.72.

57. Галанский В. Л., Крейндель Ю. Е., Оке Е. М. и др. Эмиссионные свойства анодной плазмы дугового контрагированного разряда низкого давления. // ЖТФ, 1987, Т.57, В.5, с.877.

58. Riemann К. U. The Bohm criterion and sheath formation. // J. Phys. D: Appl. Phys., 1991, V.24, p.492.

59. Жаринов А. В, Коваленко Ю. А., Роганов И. С., Тюрюканов П. М. Плазменный эмиттер электронов с сеточной стабилизацией. I. // ЖТФ, 1986, Т.56, В.1, с.66.

60. Жаринов А. В, Коваленко Ю. А., Роганов И. С., Тюрюканов П. М. Плазменный эмиттер электронов с сеточной стабилизацией. И. // ЖТФ, 1986, Т.56, В.4, с.687.

61. Крейндель Ю.Е. Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков, Новосибирск.: Наука, 1976.

62. Gavrilov N.V., Kuleshov S.V. A source of ribbon gas ion beams. // Proc. of 5 Conference on Modiflcstion of Materials with Particle Beams and Plasma Flow, Tomsk. «Vodoley», 2000, p. 181.

63. Галанский В. JL, Крейдель Ю. Е., Оке Е. М. и др. Условия образования анодной плазмы дугового разряда низкого давления. // Теплофизика высоких температур, 1987, Т.25, № 5, с. 880.

64. Ионов Н. И. Исследование газоразрядной и космической плазмы с помощью многоэлектродных зондов. // ЖТФ, 1964, Т.34, В.5, с.769.

65. Удовиченко С. Ю. Электрическая прочность ускоряющего промежутка в плазменном источнике заряженных частиц. // ЖТФ, 2000, Т.70, В.З, с.19.

66. Крейндель Ю. Е., Никитинский В. А. Электрический пробой промежутка между плазмой и положительным электродом. // ЖТФ, 1971, Т.41, В.11, с.2378.

67. Клярфельд Б. Н., Тимофеев А. А., Неретина Н. А., Гусева JI. Г. Характеристики зондов при положительных потенциалах и измерение плотности газа в разряде. // ЖТФ, 1955, Т.25, В.9, с.1581.

68. Johnson Е. О., Malter L. A Floating Double Probe Method for Measurement in Gas Discharge. // Phys. Rev., 1950, V.80, №1, p.58.

69. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969.

70. Бурачевский Ю. А., Бурдовицин В. А., Мытников А. В., Оке Е. М. О предельном рабочем давлении плазменного источника электронов на основе разряда с полым катодом. // ЖТФ, 2001, Т.71, №2, с.48.

71. Danilishin D. G., Burdovitsin V. A., Burachevskii Yu. A., Oks Е. М. Plasma expansion in the anode emission channel of an electron source. // Russian Physics Journal, 2001, V.44, №5, p.478.

72. Burachevskii Yu. A., Burdovitsin V. A., Kuzemchenko M. N., Mytnikov A. V., Oks E. M. Generation of electron beams in the range of forevacuum pressures. // Russian Physics Journal, 2001, V.44, №9, p.996.

73. Бурдовицин В. А., Куземченко M. H., Оке Е. М. Об электрической прочности ускоряющего промежутка плазменного источника электронов в форвакуумном диапазоне давлений. // ЖТФ, 2002, Т.72, №7, с.134.

74. Плешивцев Н. В., Бажин А. И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. М.: Вузовская книга, 1998.

75. Гушенец В. И., Крейндель М. Ю., Оке Е. М. и др. К вопросу о зарядовой компенсации широкоапертурных ионных пучков. // Тез. докл. 9 Симпозиума по сильноточной электронике, (Научно-техническая редакция «Гиперокс», Россия, 1992, с. 117.

76. Габович М. Д. Ионно-пучковая плазма и распространение интенсивных компенсированных ионных пучков. // Успехи физических наук, 1977, Т. 121, В.2, с.259.

77. Оке. Е. М., Юшков Г. Ю. Влияние ионизации остаточного газа на электрические измерения тока ионного пучка. // Тез. докл. 9 Симпозиума по сильноточной электронике, (Научно-техническая редакция «Гиперокс», Россия, 1992, с.90.

78. Whealton J. Н., L. R. Grisham, Tsai С. С., Stirling W. L. Effect of preacceleration voltage upon ion-beam divergence. // J. Appl. Phys. 49(6), 1978, p.3091.

79. Medows G. A., Free B. A. Effect of a decel electrode on primary and charge-excharge ion trajectories. //AIAA Paper, 1975, №75 427.

80. Демирханов P. А., Курсанов Ю. В., Скрипаль JI. П. Эмиссия ионов из плазменного-пучкового разряда. //ЖТФ, 1970, т. XL, в. 7, с. 1351.

81. Мартене В. Я. Эмиссия ионов из неравновесной плазмы. //Известия высших учебных заведений, 2001, №9, с. 90.

82. Гаврилов Н. В., Никулин С. П., Радковский Г. В. Источник интенсивных широких пучков ионов газов на основе разряда с полым катодом в магнитном поле. //ПТЭ, 1996, №1, с.93.

83. Коваленко Ю. А. Физические принципы построения и методы расчёта газонаполненных ускоряющих систем с плазменными эмиттерами заряженных частиц. // Дисс. На соискание учёной степени доктора физ.-мат. Наук. Москва. 1995.

84. Смирнов Б. М. Асимптотические методы в теории атомных столкновений. //М.: Атомиздат, 1973, с. 185.

85. Дж. Хаствед. Физика атомных столкновений. // М.: Мир, 1965 / пер. с анг. Флакса И. П., под ред. Федоренко Н. В.

86. Патент РФ №2240627. Ионный источник с холодным катодом. / Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. / Заявл. 02.06.2003. Опубл. 20.11.2004. Бюл. №32.

87. Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. Ионно-эмиссионные свойства плазмы источника ионов газов с плазменным катодом. // ДАН, Физика, 2004, Т.394, №2, с.1.

88. Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. Характеристики источника , с плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов. // ЖТФ, 2004, Т.74, В.9, с.97.

89. Gavrilov N. V., Kamenetskikh A. S. The feature of gridded plasma cathodethoperation at ion sources. // Proc. of 13 International Symposium on High Current Electronics, Tomsk, 2004, p.45.

90. Гаврилов H. В., Каменецких А. С. Особенности функционирования плазменного катода с сеточной стабилизацией в двухступенчатом ионном источнике. //ЖТФ, 2006, Т.76, В.2, с.57.

91. Gavrilov. N. V., Kamenetskikh A. S. Glow-discharge-driven bucket ion source. // Rev. Sci. Instum., 2004, V.75, №5, p. 1875.

92. W. Ecktein. Calculated sputtering, reflection and range values. // IPP.9/117, 1998.

93. Визирь А. В., Оке E. M., Юшков Г. Ю. Ионно-эмиссионные свойства несамостоятельного разряда с полым катодом. // Известия вузов. Физика, 1999, №2, с. 14.

94. Vizir А. V., Oks Е. М., Shandrikov М. V., Yushkov G. Yu. Effective source of high purity gaseous plasma. // Proc. of 7th International conference on modification of material with particle beams and plasma flow, Tomsk, 2004, p.81.

95. Gavrilov N. V., Kamenetskikh A. S. A broad beam ion source with a gridthbounded plasma cathode. // Proc. of 7 International Conference on Modification of Material with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2004, p.61.

96. Гаврилов H. В., Каменецких А. С., Мамаев А. С. Разработка источников ионов для ионно-плазменных технологий нанесения покрытий. // Вестник УГТУ-УПИ, 2004, №5 (35), 4.2, с.195.

97. Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. Источник ионов газов с сетчатым плазменным катодом. // ПТЭ, 2005, №2, с.107.

98. Маишев Ю. П. Источники ионов для реактивного ионно-лучевого травления и нанесения плёнок. // Электронная промышленность, 1990, №5, с. 15.

99. Маишев Ю. П. Источники ионов и ионно-лучевое оборудование для нанесения и травления материалов. // Вакуумная техника и технология, 1992, Т.2, №4, с.53.

100. Патент РФ №2250577 Газоразрядный плазменный катод. / Гаврилов Н. В., Каменецких А. С. / Заявл. 15.07.2003. Опубл. 20.04.2005. -Бюл. №11.