Особенности процесса ускорения ионов катодной струи импульсного вакуумного разряда

Горбунов, Сергей Петрович

Особенности процесса ускорения ионов катодной струи импульсного вакуумного разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Горбунов, Сергей Петрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иркутск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Особенности процесса ускорения ионов катодной струи импульсного вакуумного разряда»

Автореферат диссертации на тему "Особенности процесса ускорения ионов катодной струи импульсного вакуумного разряда"

; ' . Н&правах рукописи

I ^ * г

5 - *,(', 1 , "< , ' • * . /'

I - -

[ '«Т.'?'»*"' » • ? * .»А ' / , - » - -

Горбунов Сергей Петрович

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА УСКОРЕНИЯ ИОНОВ КАТОДНОЙ СТРУИ ИМПУЛЬСНОГО ВАКУУМНОГО РАЗРЯДА

Специальность: 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск - 2005

Работа выполнена в Иркутском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Паперный Виктор Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Оке Ефим Михайлович

кандидат физико-математических наук, доцент Коробкин Юрий Васильевич

Ведущая организация: Государственный Научный Центр

Российской Федерации «Институт теоретической и экспериментальной физики», Москва

Защита состоится « » ОСrrnsujtj. 2005 г. в « » часов на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, дом 31, тел. 324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан « Ш 2005 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь J Евсеев И.В.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вакуумные разряды, где плазмообразующим веществом является материал эродирующих электродов, в течение нескольких десятилетий являются предметом многочисленных исследований. Это связано, с одной стороны, с интересом к фундаментальным процессам, протекающим в вакуумных разрядах, а с другой - их различными приложениями. В частности, вакуумные разрядники находят широкое применение для коммутации сильноточных электрических цепей. Вакуумно-дуговые источники металлической плазмы используются в процессах нанесения покрытий в микроэлектронике и для улучшения характеристик поверхности, для обработки материалов, ионной имплантации и других задач. В последние годы на основе вакуумных разрядов были созданы источники для мощных ускорителей пучков многозарядных ионов металлов, применяемых в технологических целях, для задач медицины и в фундаментальных исследованиях.

Одним из наиболее интересных свойств вакуумного разряда является генерация катодных струй - потоков многозарядных ионов материала катода, движущихся в направлении анода, т.е. против приложенного электрического поля. Исследование характеристик этих потоков (зарядового состава и направленной скорости ионов, величины ионного тока и др.) и возможности управления ими путем варьирования параметров разряда представляет интерес для многих прикладных задач. К таким задачам относится, например, процесс нанесения вакуумно-дуговым методом алмазоподобных пленок, где с увеличением скорости ионов углерода улучшаются условия образования на поверхности подложки высокоупорядоченных структур атомов углерода. Возможность управления скоростью движения плазмы катодной струи представляет также интерес для создания вакуумных коммутаторов электрического тока с малым временем коммутации. Важность подобных исследований обусловлена также тем обстоятельством, что как показали эксперименты, скорость и зарядовый состав ионов плазмы катодной струи вакуумной дуги практически не зависят от тока разряда (при токах менее 1 кА) и геометрии электродной системы.

Отметим также, что к настоящему времени можно считать, в основном, установленным механизм генерации и ускорения ионов в плазме вакуумного дугового разряда, однако, физика процессов, протекающих в искровом разряде с высокой скоростью нарастания тока, остается, во многом, невыясненной. В частности, до сих пор предметом обсуждения является механизм генерации кратковременных пучков ускоренных многозарядных ионов материала катода, регистрировавшихся еще в ранних экспериментах в высоковольтных искровых разрядах.

ЗРОС.

I '

связанных как с нестационарным характером процессов в плазме катодной струи, так и с относительно высокими значениями амплитуды разрядного тока.

Цель работы: установить основные характеристики процесса ускорения ионов катодной струи в вакуумном искровом разряде с высокой скоростью нарастания тока для широкого диапазона изменения характеристик разряда: напряжения накопителя, амплитуды и скорости нарастания разрядного тока, геометрии межэлектродного промежутка. В частности, предполагается выяснить:

1. Особенности процесса генерации пучков быстрых ионов в начальной стадии горения разряда и зависимость их параметров от характеристик разряда,

2. Связь параметров быстрых ионов и основной ионной компоненты катодной плазменной струи,

3. Возможность управления скоростью катодной струи в широком диапазоне величин.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

• Выявлены условия, определяющие появление пучков ускоренных ионов материала катода в начальной стадии развития искрового разряда и установлена связь их средней энергии с амплитудой и скоростью нарастания тока разряда, а также длиной разрядного промежутка в широком диапазоне изменения этих параметров.

• Обнаружен эффект формирования области отрицательного объемного заряда, локализованной во фронте катодной плазменной струи, причем скорости движения этой области и пучков быстрых ионов оказались близки в широком диапазоне изменения параметров разряда.

• Установлено наличие в катодной струе искрового разряда быстрой и медленной (основной) ионных компонент и получена зависимость токов и скоростей этих компонент от амплитуды разрядного тока в широком диапазоне его изменения.

• Показано, что быструю компоненту можно отождествить с пучком ускоренных (многозарядных) ионов, генерируемым в начальной стадии разряда, и получена оценка полного числа ионов, достигающего 1013 частиц в импульсе, при среднем заряде, равном +9 для медного катода.

• Обнаружено значительное возрастание (до шести раз по сравнению с дуговым разрядом) скорости основной части ионов катодной плазменной струи при увеличении амплитуды разрядного тока, причем эту зависимость удается объяснить предположением о сжатии катодной струи магнитным полем разрядного тока.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Полученные зависимости параметров пучков быстрых ионов, генерируемых в начальной стадии искрового разряда, от его характеристик

представляют существенный вклад в создание общей картины ускорительных процессов, протекающих в вакуумных разрядах. Эти данные могут быть использованы при создании нового класса источников быстрых ионов металлов на основе вакуумных искровых разрядов, где отсутствует высоковольтная система электродов, а ускорение ионов происходит в самосогласованных электромагнитных полях.

2. Исследованный эффект дополнительного (по сравнению с дугой) ускорения ионов катодной струи искрового разряда, позволяет разработать источники ионов металлов с варьируемой в широком диапазоне скоростью, которые можно использовать в технологических процессах нанесения покрытий, обработки поверхностей и других приложениях.

3. Полученные экспериментальные свидетельства в пользу существенного влияния собственного магнитного поля катодной струи на движение плазмы указывают на единую природу процессов в сильноточных пинчах и вакуумных искровых разрядах с относительно небольшим разрядным током 102-104Л.

4. Достаточно высокие значения потоков многозарядных ионов, полученные в низкоиндуктивном искровом разряде, позволяют считать его перспективным видом источника для первой ступени мощных ионных ускорителей.

Личный вклад автора. Основная часть работы была проведена в соавторстве с научным руководителем доктором физ. -мат. наук Паперным В,Л. и кандидатом физ.-мат. наук Красовым В.И. Личный вклад автора заключается в подготовке экспериментальной установки и диагностического оборудования, участие в проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов диссертационного исследования, участие в обсуждении и формулировке основных выводов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Характер движения катодной плазменной струи вакуумного искрового разряда существенно зависит от параметров разряда. Когда скорость нарастания и амплитуда разрядного тока превышают некоторые пороговые значения, граница расширяющейся в межэлектродный промежуток катодной струи эмитирует пучок быстрых ионов материала катода, средняя энергия которых растет с увеличением амплитуды и скорости нарастания разрядного тока.

2. Эмиссия быстрых ионов наблюдается, начиная с некоторого минимального размера струи (2+3 мм), их энергия, при фиксированной

скорости нарастания разрядного тока, линейно растет с увеличением длины межэлектродного промежутка.

3. Скорость основной ионной компоненты катодной струи также растет с увеличением амплитуды разрядного тока вплоть до величин, существенно (до шести раз) превышающих скорости, регистрируемые в вакуумных дугах.

4. Основные экспериментальные характеристики и быстрой, и основной ионных компонент катодной струи, в широком диапазоне разрядных токов удается объяснить предположением о сжатии плазмы собственным магнитным полем тока струи. В то же время, наличие во фронте струи движущейся области отрицательного пространственного заряда указывает на возможный механизм ускорения ионов электрическим полем этого заряда.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных методик, сопоставлением и удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с результатами теоретического анализа и численного моделирования, а также сравнением полученных результатов с результатами других исследователей.

Апробация работы и публикация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, Россия, 1995); XIII Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизированных газов (Попрад, Словакия, 1996); XVIII Симпозиуме по физике плазмы и плазменным технологиям (Прага, Чехия, 1997); II Всероссийской конференции по молекулярной физике неравновесных систем (Иваново, Россия, 2000); Х1Х-ХХ1 Международных симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Сиань, Китай, 2000; Тур, Франция, 2002; Ялта, Крым, 2004); VI Международной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 2002); IV Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, МИФИ, 2003); XXXI и XXXII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, 2004, 2005).

Результаты исследований изложены в 4 статьях в реферируемых журналах и 13 докладах Международных и Российских симпозиумов и конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 124 страницы, содержит 37 рисунков и 1 таблицу. Список цитируемой литературы включает 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, а также указывается цель, научная новизна и практическая ценность работы. Излагается краткое содержание диссертации, и формулируются выносимые на защиту научные положения.

В первой главе на основе литературных данных сделан обзор экспериментальных исследований по измерению скорости ионов в вакуумной дуге и искре. Кратко рассмотрены также наиболее известные гидродинамические модели катодной плазменной струи.

В ранних работах, в катодных струях вакуумной дуги были зарегистрированы ионы материала катода с 1фатностью заряда до +4 (Мо+4) и средней энергией ионов в диапазоне 30-150 эВ. Было показано, что энергия ионной компоненты увеличивается с ростом заряда, слабо зависит от тока дуги в широком диапазоне его изменения и определяется лишь видом материала катода.

Недавние эксперименты, выполненные для широкого набора материалов катода, показали, что средние скорости различных ионных компонент, измеренные разными способами, в значительной степени совпадали. Таким образом, в настоящее время можно считать установленным факт равенства скоростей ионов различных зарядовых состояний для данного вида материала катода. Скорости ионов составляют ~10б см/с, среднии ионныи заряд в зависимости от вида материала катода лежит в диапазоне Эксперименты также показывают, что изменение тока дуги в диапазоне 50-500 А не оказывает заметного влияния на величину среднего заряда.

Согласно современным представлениям, первичное образование ионов обусловлено процессами взрывной эмиссии с поверхности катода, протекающей в виде кратковременных (длительностью порядка 10'9 с) выбросов плазменных струй микронного масштаба (эктонов). В экспериментах плазменные эмиссионные Центры наблюдались вблизи поверхности катода в виде ярко светящихся областей размером менее 5 мкм (так называемых катодных микропятен). Такое пятно генерирует микрострую высокоионизованной катодной плазмы с протекающим через нее током 1-10 Л и плотностью частиц достигающей значения (3-6)-1070 смг, причем процесс взрывной эмиссии носит циклический самоподдерживающийся характер.

Среди теоретических представлений о процессах, устанавливающих в катодной струе зарядовый состав и скорости ионных компонент наиболее адекватной результатам экспериментов является модель гидродинамического ускорения ионов в катодной микроструе. Согласно этой модели, ускорение ионов обусловлено градиентом электронного давления, поддерживаемого джоулевым нагревом вследствие протекания тока, и происходит на длине порядка 10 мкм, причем передача импульса от электронов к ионам в плотной прикатодной плазме обусловлена, в основном, электрон-ионным трением. В

результате гидродинамического ускорения движение различных ионных компонент, вследствие их выравнивания межкомпонентным трением, происходит с общей скоростью Vc

Более сложной выглядит картина ускорения ионов в вакуумных искровых разрядах. Еще в ранних экспериментах было показано, что плазма катодной струи искрового разряда движется в сторону анода со средней скоростью (1-2)-106 см/с (т.е. с энергией порядка 102 эВ). Причем, как показали измерения, скорость движения фронта струи не зависит от напряжения разряда и длины межэлектродного промежутка, что соответствует данным, полученным в дуговом разряде.

Однако в эти же годы были обнаружены движущиеся к аноду пучки многозарядных ионов материала катода (вплоть до Л Г6, W +6), которые генерировались катодной струей на начальной стадии горения высоковольтных вакуумных искровых разрядов в моменты кратковременных всплесков разрядного тока длительностью несколько десятков наносекунд. Энергия ионных пучков существенно зависела от напряжения на разрядном промежутке и достигала значений до нескольких МэВ. Для объяснения их происхождения привлекались различные механизмы. Однако эти механизмы дают оценки скорости лишь по порядку величины и содержат ряд параметров, которые трудно оценить для конкретных экспериментальных условий.

Следует отметить, что имеющиеся экспериментальные данные по ускорению ионов в искровых разрядах носят фрагментарный характер, а зависимость характеристик ионных пучков от параметров разряда остается неизученной. Этими обстоятельствами, как в плане установления зависимости параметров ионных пучков от характеристик разряда, так и выяснения возможных механизмов ускорения многозарядных ионов, обусловлена постановка задачи в рамках данной диссертационной работы.

Во второй главе диссертации описывается экспериментальная установка, приводятся электротехнические параметры разряда и рассматриваются особенности методики измерений параметров ионных пучков с использованием ленгмюровского зонда и электростатического анализатора типа «плоское зеркало».

Эксперименты проводились в низкоиндуктивном (I = 40 нГ) вакуумном искровом разряде. Система вакуумной откачки обеспечивала необходимый для экспериментов уровень вакуума Р< 10"5 Topp. Электродная система (рис.1) состояла из катода в виде медного стержня диаметром 1 мм, поджигающего электрода и заземленного анода в виде сетки из нержавеющей стали с прозрачностью 0.5. Емкостной накопитель (С=2мкФ) разряжался через вакуумный промежуток катод-анод с варьируемой длиной / = 3-15 мм. Разряд инициировался высоковольтным пробоем между поджигающим электродом и катодом по поверхности керамической трубки. Ток разряда измерялся с

Рис. 1 Схема эксперимента Экспериментальная установка - (I): катод - 1, анод - 2, поджигающий электрод - 3; Энергоанализатор - (II) • отклоняющая пластина - 4, МКП - 5; Зонды - (III): регистрирующий электрод - 6, керамический изолятор - 7, экран - 8; Коллекторный узел - (IV): сетки -9 и 10, коллектор -11_

помощью пояса Роговского. Особенностью схемы является малое значение волнового сопротивления разрядной цепи р- ( L/C )1/2 = 0.14 Ом.

Характер разряда и его параметры определяются начальным напряжением на конденсаторе Со, которое в ходе экспериментов изменялось в широком диапазоне значений Со = 0.03+2.4 кВ. При напряжениях на накопителе более 400 Л, сопротивление разрядного промежутка быстро падает ниже р и разряд носит осциллирующий характер.

Энергетический спектр ионной компоненты плазменной струи измерялся времяпролетным методом с использованием электростатического анализатора типа "плоское зеркало" с углом влета частиц 45 . В качестве регистратора ионов на выходе анализатора располагалась микроканальная пластина с усилителем. Анализатор был прокалиброван с помощью термоионного источника и имел энергетическое разрешение д£/£ = 2%. Временное разрешение регистрирующего тракта было не хуже 30 не.

Времяпролетный метод с использованием электростатического анализатора ионов позволяет выделить из плазменного потока частицы с заданной энергией Е1 (определяемой напряжением на пластинах анализатора) и

различными значениями параметра ¡л!г. Изменяя напряжение на пластинах, можно за серию выстрелов получить распределение по энергии ионов с заданной величиной filz. Предполагая, что ускорение ионов происходит в межэлектродном промежутке, длина которого составляет <5% от длины пролета ионов L =350 мм, можно принять поверхность катода за точку старта.

Для измерения локальных характеристик плазмы использовались два цилиндрических ленгмюровских зонда. Зонды были ориентированы перпендикулярно к оси разряда и располагались непосредственно за анодной сеткой. Зонды работали в двух режимах: измерения ионного тока насыщения и измерения потенциала плазмы.

В третьей главе представлены результаты измерений энергий ионов генерируемых в начальной стадии вакуумного искрового разряда с использованием электростатического энергоанализатора и локальных характеристик катодной струи ленгмюровскими зондами.

Типичная осциллограмма, наблюдаемая с выхода анализатора при напряжении на анализаторе иА-1000В, показана на рис.2. Предполагая, что последний пик соответствует ионам Си (¿¡/г = 64), можно вычислить момент их старта. Он показан на рис.2 стрелкой. Вычисления показали, что значение ¡л!г других пиков соответствует ионам Си2+ и ионам газовых примесей Я*, С\ Л^ и 0\

По осциллограммам тока и напряжения была вычислена временная зависимость мощности вкладываемой в разряд /2Л(?) и скорости нарастания тока 1(0 (см. рис.2.б). Из рисунка видно, что скорость нарастания тока, и мощность энерговклада достигают максимума примерно в один момент времени, близкий к моменту старта ионов.

Рис 2 Осциллограммы тока разряда - (а), скорости нарастания тока и мощности энерговклада - (б), сигнала с выхода анализатора -(в)_

и МКС а о

8 £ 2 105

<5 к г

4 2

<£

0 ~ 1105

Х,мкс О 1(Р

10« 10" 10'° 10" 1013 Скорость нарастания тока, А/с

Рис.3 Зависимость средней энергии ионов Си* от скорости нарастания тока разряда - )■ Данные работ Ппотто -Со).

Исследование распределений ионов по энергиям (при фиксированной длине разрядного промежутка 9 мм) показывает, что существует пороговое значение скорости нарастания тока /0= 3-10* А/с. Как видно из рис.3, при скорости нарастания тока ниже порогового значения средняя энергия ионов

составляет около 150 эВ, практически не зависит от параметров разряда и близка к величине, наблюдаемой в стационарных вакуумных дугах. Для значений /> /о, средняя энергия ионов растет с увеличением скорости нарастания тока разряда. Соотношение между ними в широком диапазоне значений описывается формулой £ ~ (tf 3. Измерения для различных

компонент плазменной струи показали, что это же соотношение имеет место для ионов Си2* и ионов газовых примесей С, N*, О*.

На этом же рисунке представлены данные об энергии ускоренных ионов материала катода Aln+, Wкоторые регистрировались в моменты всплесков тока в вакуумном разряде в известных работах (например, Плютто A.A. и др., ЖТФ, 1970, Т. 40, с. 2534). Видно что, результаты этих работ с

удовлетворительной точностью

описываются тем же соотношением. Это позволяет предположить, что механизм ускорения ионов имеет универсальный характер в широком диапазоне параметров разряда, при скоростях нарастания тока/ > 3-Ю8 Ale.

Следует отметить, что в этой серии измерений в рабочем объеме обеспечивался уровень вакуума /*<210" 4 Topp. В дальнейших экспериментах, в целях исключения влияния давления остаточных газов на зарядовый состав плазмы и корректной регистрации количественных характеристик ионных потоков с высоким средним зарядом на больших длинах пролета, в разрядной камере поддерживался вакуум на уровне Р< 1-Ю"5 Topp.

Выявление пространственных эффектов в ускорительном механизме проводилось путем варьирования длины разрядного промежутка от 2 мм до \5мм. Исследования показали, что увеличение длины при фиксированном значении / приводит к росту средней энергии ионов Ег Этот эффект при

разных значениях скорости нарастания тока показан на рис.4. Из рисунка видно, что, во-первых, механизм ускорения ионов начинает действовать на некотором макроскопическом расстоянии от катода, составляющем около 2+3 мм (показано на рисунке стрелкой), во-вторых, средняя энергия ионов линейно зависит от длины межэлектродного промежутка при фиксированном значении скорости нарастания тока и, в третьих, что скорость нарастания тока

20'

=0 s Л

Í i к 3j /

I ю- /

ж /

i 5 . и •>

0 t 5 10 15

Длина разрядного промежутка, ми

Рис.4 Средняя энергия ионов Си* как функция длины разрядного промежутка

при скорости нарастания тока разряда: 61(?-(»), 310*-(у), !(?- (о).

является параметром, характеризующим эффективность ускорительного механизма.

Локальные макроскопические характеристики плазменной струи исследовались с помощью ленгмюровских зондов при длине разрядного промежутка 9 мм. Измерения в режиме ионного тока насыщения показали (рис.5а), что фронт плазменной струи достигает анода в момент значительного возрастания тока разряда, причем скорость движения фронта в широком диапазоне значений контролируется внешними параметрами цепи. Измерения зоддами в режиме плавающего потенциала показали (рис.56), что в плазменной струе формируется область отрицательного объемного заряда, движущаяся вместе с фронтом струи. Расчетные значения энергии ионов Си*, движущихся со скоростью этой области, а также со скоростью плазменного фронта приведены на рис.6. Из рисунка видно, что они близки к средним энергиям ускоренных ионов полученных с использованием анализатора, во всем диапазоне параметров разряда. Это позволяет предположить, что ускорение ионов, может быть обусловлено электрическим полем объемного заряда, локализованного во фронте плазменной струи.

Рис 5 Осциллограммы сигнала пояса Роговского и соответствующие сигналы зондов в режиме измерения ионного тока насыщения-(а) и плавающего потенциала-(б).

оа

!ю3

Скорость нарастания тока, А/с

Рис. 6 Средняя энергия ионов Си*: в движущейся области объемного заряда -(*), во фронте плазменной струи - (А). Данные измерений анализатором - (•); Линией показано соотношение Е ~(1)'3.

Проведенные измерения показывают (см. рис.2), что образование ионов происходит в течение интервала длительностью 50 - 100 не, через 300 * 400 не после начала разряда. Считая, что скорость катодного потока составляет 1.5-106 см/с, длину катодного факела, в момент генерации, можно оценить как 4+6 мм. Пространственный размер области образования ионов, соответственно,

составляет менее 1 мм. Отсюда можно сделать вывод о том, что генерация ионов происходит до момента перекрытия катодным факелом межэлектродного промежутка.

В четвертой главе рассматриваются параметры катодной плазменной струи, полученные с помощью коллекторных измерений, а также определяется полный импульс катодной струи с использованием баллистического маятника и его зависимость от тока разряда.

Коллекторные измерения характеристик катодной струи проводились при трех длинах пролета ионов: 1=10 см, 36 см, 98 см. На осциллограммах (рис.7) хорошо видны два пика. Первый пик, обладающий меньшей амплитудой и меньшим временем задержки, соответствует быстрой ионной компоненте. Второй пик, с большей амплитудой и большим временем задержки образуют ионы основной части потока. На длине пролета 10 см сигналы для основной и быстрой ионной компоненты представляют собой отдельные пики с близкими по величине амплитудами. С увеличением длины пролета происходит расплывание пиков так, что при Ь = 3б.см быстрые ионы наблюдаются как подножие пика основной части ионов. В то же время, с увеличением длины пролета амплитуда быстрых ионов падает быстрее, чем амплитуда медленных ионов, так что при длине дрейфового промежутка 98 см амплитуда быстрых ионов находится вблизи порога регистрации.

«г С? 4

о Н г. 0

о. -4

О 0.4 0.2 0 0.02 0.01 0

Быстрые ионы

Основная часть ионов

2 4 6

36 си

10 20 30

98 с к

20 40

Время, икс Рис.7 Осциллограммы тока разряда (а) и тока коллектора дчя трех длин пролета (б-г).

5 10 15

Амплитуда тока разряда, кА Рис.8 Зависимость скорости быстрой -(о) и основной - (•) ионных компонент от амплитуды тока разряда Средняя скорость ионов Си"* по данным работы (Артамонов МФ и др. // ЖЭТФ, 2001, т. 120, с 1404)-(х)

Дополнительная серия измерений (Артамонов М.Ф. и др. // ЖЭТФ, 2001, т.120, с.1404), выполненных времяпролетным методом с помощью анализатора

при улучшенных вакуумных условиях (безмасляный вакуум, Р< 610"4 Topp), показала, что пучки ускоренных частиц, генерируемых в начальной стадии разряда, состоят, в основном, из многозарядных ионов материала катода См"+. С увеличением тока разряда средний заряд ионов растет и достигает величины z = 9 при /—11 кА. Эти измерения позволили оценить среднюю скорость многозарядных ионов, которая оказалась близка, с удовлетворительной точностью, к скорости быстрой ионной компоненты в широком диапазоне изменения тока разряда (см. рис.8). Следовательно, можно отождествить ускоренные многозарядные ионы с быстрой ионной компонентой, обнаруженной в коллекторных измерениях.

Hä этом же рисунке представлена зависимость скорости основной части ионов от тока разряда. Из рисунка видно, что при малом токе разряда скорость основной ионной компоненты близка к значению регистрируемом в вакуумных

дугах Vc -\3-\(f м/с. С увеличением -~—

амплитуды тока разряда скорость 104 . • НО13 2

основной ионной компоненты растет 1 f1

почти линейно так, что при амплитуде ¿ 103 » а

тока разряда 11 кА достигает величины в J°° §

1.2-IÖ* см/с. I . „о • -10« ¡

Из осциллограмм тока на g j0, ^ Ц

коллектор можно оценить полное число g ° р

быстрых высокозарядных ионов в н g

импульсе (см. рис.9). Для расчета i о1 Е___ПО" §

использовались данные осциллограмм 10° ю1 ío2 с

при длине пролета 10 см, т.е. вблизи Токра^яда, кА

анода. Из рисунка видно, что число Рис.9 Зависимость амплитуды тока ионов растет с увеличением амплитуды быстрых ионов на коллектор - (о) и их

„„„„___________„.„__1Л13_______ „ полного числа в импульсе - (•) от

тока разряда, и достигает 10 частиц в . '

_ амплитуды тока разряда

импульсе при среднем заряде z = 9. -

В последующих измерениях был получен полный механический импульс катодной струи в диапазоне токов разряда от 4 до 29 кА. Импульс определялся по величине отклонения подвешенной на нити пластинки, помещенной непосредственно за анодом. Полученная зависимость полного импульса от тока разряда позволяет найти среднюю массовую скорость струи плазмы, в предположении, что удельный коэффициент эрозии, хорошо известный в широком диапазоне токов для стационарных разрядов (для меди он равен у = 4.2-10"5 г/Кл) остается тем же и в импульсных разрядах. Сравнение средней массовой скорости струи со скоростью основной ионной компоненты, полученной в измерениях с помощью коллектора, показало, что обе скорости достаточно близки в диапазоне токов разряда /=1—10 кА. Это означает, во-первых, что в сильноточных вакуумных разрядах коэффициент ионной эрозии,

10» • • 10'3 2 ч

• • & S

- • S

1 103 • • о о • «о а a о 1012 |

о * ю2 SÉ о Я ш

о У

н 8

10' 10" §

10° 10' 102 с

Ток разряда, кА

Рис.9 Зависимость амплитуды тока

быстрых ионов на коллектор - (о) и их

полного числа в импульсе - (•) от

амплитуды тока разряда

действительно, близок к значению для вакуумных дуг, во-вторых, что основной импульс здесь переносится ионной фазой плазменной струи.

Из результатов измерений, представленных в третьей и четвертой главах, видно, что помимо известного газокинетического механизма ускорения ионов в катодных микроструях существует дополнительное ускорение ионов в объеме плазменной макроструи. Как показано в пятой главе, это ускорение можно объяснить предположением о сжатии плазмы собственным магнитным полем тока катодной струи.

Ускорение основной ионной компоненты может быть объяснено следующими качественными соображениями. Оценки показывают, что в вакуумных разрядах уже при токах разряда 102—103 Л можно ожидать заметного влияния собственного магнитного поля на параметры плазменного потока. Магнитное сжатие плазменного потока приводит к уменьшению доли тепловой энергии расходуемой на расширение потока в поперечном к оси направлении. В результате этого, соответственно, возрастает доля тепловой энергии расходуемой на расширение вдоль оси струи и, как следствие, к дополнительному увеличению скорости потока. Эффект подобен известному действию сопла в процессе расширения горячих нейтральных газов, который приводит к ускорению газовой струи. В нашем случае, действие магнитных сил на токонесущую плазменную струю аналогично стенкам сопла.

Из вышеизложенного следует, что в слаботочных разрядах, когда нет магнитного сжатия струи, скорость плазмы будет близка к скорости приобретаемой ионами в прикатодной области = 1.3-104 м/с. На рис.10 видно, что при малых токах разряда измеренное значение скорости основной ионной компоненты действительно близко к этой величине.

В предположении, что магнитные силы компенсируют силу газокинетического давления на границе плазменной струи, была получена формула зависимости скорости движения катодной струи от тока разряда: V- ¥с+к/. В качестве начальной скорости было принято значение скорости для слаботочных дуг Ус, а параметр к ~ 7.5 м/Ас предполагался слабо зависящим от тока разряда. Зависимость скорости ионов от тока разряда, полученная

10 Л х* / у .

1 8

о >' 6 £4 & и 2 о/ о/ Х А / х° х

0 2 4 6 8 10 12

Амплитуда тока разряда, кЛ

Рис 10 Зависимость скорости основной части ионов от амплитуды тока разряда при длине пролета 36 см -(о), 98 см - (*■) Скорость ионов в вакуумной дуге-(▲).

согласно этой формуле изображена на рис.10 прямой, и находится в удовлетворительном согласии с данными времяпролетных измерений.

Возможным механизмом ускорения быстрой ионной компоненты, как было показано в третьей главе, может являться захват ионов в потенциальную яму, движущуюся с фронтом плазменной струи. (Баренгольц С.А., Месяц Г.А. и др. // ЖЭТФ, 2000, Т. 118, с. 1358), он приводит к появлению зависимости энергии ионов от их заряда: £, = eZUo, действительно наблюдавшейся в работе (Артамонов М.Ф. и др. // ЖЭТФ, 2001, т. 120, с. 1404).

Другой возможный сценарий процесса ускорения ионов во фронте катодной струи со свободной внешней границей обсуждался в работе Кринберга (Krinberg I.A. // J. Phys. D: Appl. Phys., 1996, V. 29, р. 2049). Согласно этому сценарию, струя под действием магнитного давления схлопывается к оси, как целое. Вследствие этого плазменный фронт ускоряется в направлении анода («кумулятивный эффект»). Оценки, сделанные в указанной работе, показывают, что энергия ионов во фронте катодной струи

описывается формулой: £, ~ const-(l-lö)-i, где /о и / - начальная и полная длина плазменного потока, / - скорость нарастания тока. Из формулы видно что, во-первых, существует некая минимальная длина /о, с которой начинается ускорение, во-вторых, энергия ускоренных ионов во фронте катодной струи линейно растет с увеличением скорости нарастания тока и, в третьих, энергия ионов также линейно растет с ростом длины струи /, которая меньше либо равна длине межэлектродного промежутка. Все эти выводы находятся в качественном согласии с результатами, изложенными в третьей главе.

Заметим также, что согласно оценкам, в наших условиях замагниченной является только электронная компонента. Поэтому именно электроны во фронте струи ускоряются вследствие кумулятивного эффекта, что приводит к их «убеганию» и образованию амбиполярного электрического поля, ускоряющего ионы.

В заключении кратко изложены основные результаты работы, обоснована достоверность результатов исследований, отмечается личный вклад автора.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено существование пороговых значений скорости нарастания и амплитуды разрядного тока, лежащих вблизи 3-108 А/с и 400 А, соответственно, при превышении которых возникает дополнительная «быстрая» составляющая ионного потока, состоящая из ионов материала катода, а также ионов газовых примесей.

2. Показано, что средняя энергия быстрых ионов растет с увеличением скорости нарастания тока согласно соотношению £~(7)13, так что при напряжении накопителя 1.5 кВ энергия ионов меди достигает 10 кэВ.

Параметры пучков ускоренных ионов, наблюдавшихся в экспериментах Плютто, соответствуют этому же скейлингу, что указывает на сходный механизм генерации быстрых ионов.

3. Установлено, что механизм ускорения быстрых ионов начинает действовать на некотором макроскопическом расстоянии (2~3 мм) от катода. Показано, что при фиксированной скорости нарастания тока средняя энергия ионов линейно растет с увеличением длины межэлектродного промежутка. Обнаружена движущаяся с фронтом область отрицательного объемного заряда, скорость которой в широком диапазоне параметров разряда оказывается близкой к средней скорости быстрых ионов.

4. Обнаружено, что скорость основной ионной компоненты катодной струи также определяется параметрами разряда. Скорость линейно растет с увеличением амплитуды разрядного тока и достигает 7-106 см/с при амплитуде тока порядка 10 кА. Ионный ток на коллектор также растет с увеличением разрядного тока, причем характер этого роста аналогичен соответствующей зависимости для быстрых ионов.

5. Проведена оценка основных экспериментальных характеристик быстрой ионной компоненты, получено качественное согласие с выводами в рамках сценария ускорения фронта плазменной струи вследствие сжатия собственным магнитным полем тока. В то же время, обнаруженная во фронте струи область отрицательного объемного заряда, движущаяся со скоростью быстрых ионов, указывает на механизм их ускорения электрическим полем этого пространственного заряда локализованного в плазменном фронте. Показано, что зависимость от тока разряда скорости основной ионной компоненты плазменной струи в широком диапазоне величин также удается с хорошей точностью объяснить в рамках предположения о сжатии катодной струи, как целого, магнитным полем разрядного тока.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Астраханцев Н.В., Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный В.Л. Динамика энерговыделения в импульсном вакуумном разряде // ФНТП, Петрозаводск, 1995, т. 2,с.202-203.

2. Астраханцев Н.В., Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный В.Л. Ускорение ионов в нестационарной плазменной струе // ФНТП, Петрозаводск,

1995, т. 2, с. 146-148.

3. Gorbunov S.P., Krasov V.l., Paperny V.L. An acceleration of cathode jet plasma in a pulse vacuum discharge. // Proc. XlIIth ESCAMPIG, Poprad, Slovakia,

1996, v.20 E, Part B, pp. 477-478.

4. Gorbunov S.P., Krasov V.l., Papemy V.L. The acceleration of a cathode-jet plasma in a pulse vacuum discharge // J. Phys. D: Appl. Phys., 1997, v. 30, № 13, pp. 1922-1927.

5. Gorbunov S.P., Krasov V.l., Paperny V.L. A pinch of cathode plasma jet // Proc. 18th Symposium on Plasma Physics and Technology, Prague, 1997, pp. 69-73.

6. Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный B.JI. Протяженная область "аномального" ускорения в катодной струе вакуумного разряда // Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, № 4, с. 66-70.

7. Паперный B.JL, Красов В.И., Горбунов С.П., Артамонов М.Ф. Сильнонеравновесная катодная плазма вакуумного разряда как эффективный источник многозарядных ионов // II Всеросс. Конф. "Молекулярная физика неравновесных систем", Иваново, 2000, с. 59-63

8. Artamonov M.F., Gorbunov S.P., Krasov V.I., Paperny V.L. Spatial structure, dynamics and electron heating of cathode jet of a pulse vacuum discharge // Proc. XlXth ISDEIV, Xi'an, China, 2000, v. 1, pp.305-308.

9. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Krinberg I.A., Paperny V.L Source of metal ions' with a variable velocity // Proc. XXth ISDEIV, 2002, Tours, France, pp. 674677.

10. Gorbunov S., Krasov V.I., Krinberg I.A., Paperny V.L. Source of metal ions with a variable velocity // Proc. 6th Intern. Conf. on modification of materials with particle beams and plasma flow. 2002, Tomsk, Russia, pp. 67-70

11.М.Ф. Артамонов, С.П. Горбунов В.И. Красов, В.Л.Паперный Применение микроканальных пластин для диагностики быстропротекающих процессов в плазме // IV Российский семинар "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды". Москва, МИФИ, 2003

12. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Krinberg I.A., Paperny V.L. The vacuum spark as a source of metal ions with variable velocity // Plasma Sources Sci. Technol., 2003, v. 12, №3, pp. 313-316.

13.С.П. Горбунов E.A. Зверев, В.И. Красов, И.А. Кринберг, В.Л.Паперный Ускорение многозарядных ионов металлов во фронте катодного факела вакуумного искрового разряда // XXXI Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2004, с. 252.

14.Gorbunov S.P., Krasov V.I., Paperny V.L., Rusakov Yu.Yu. Pulsed source of intensive two-velocity beam of metallic ions // Proc. 13th International symposium on high current electronics, 2004, Tomsk, Russia, pp. 24-26.

15.Gorbunov S.P., Krasov V.I., Paperny V.L., Rusakov Yu.Yu. Two-components ion flow in a low voltage vacuum spark // Proc. XXIth ISDEIV, 2004, Yalta, Crimea, v. 1, pp. 186-188.

16.Горбунов С.П., Красов В.И., Кринберг И.А., Паперный В.Л., Зверев E.A. Ускорение многозарядных ионов металлов во фронте катодного факела вакуумного искрового разряда // Прикладная физика, 2004, № 6, с. 83-90.

17.Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный В.Л. Поток многозарядных ионов металлов из низковольтного вакуумного искрового разряда // XXXII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2005, с. 252.

1165 75

РЫБ Русский фонд

2006-4 12887

Подписано в печать 08.09.05. Формат 60x84 1/16. Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский отдел Иркутского государственного университета 664003, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 36

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Горбунов, Сергей Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМА УСКОРЕНИЯ ИОНОВ В КАТОДНЫХ СТРУЯХ ВАКУУМНЫХ РАЗРЯДОВ.

1.1 Скорость и зарядовый состав ионов плазмы катодной струи вакуумной дуги.

1.2 Газодинамический механизм ускорения ионов в катодных микроструях.

1.3 Проблема быстрых ионов в вакуумных искровых разрядах.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ.

2.1. Описание установки.

2.2. Электротехнические характеристики разряда.

2.3. Ионный энергоанализатор и зондовые диагностики.

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ, ЗАРЯДОВЫЕ И МАССОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЫСТРЫХ ИОНОВ ВО ФРОНТЕ КАТОДНОЙ СТРУИ.

3.1. Зависимость характеристик быстрых ионов от параметров разряда.

3.2. Пространственные характеристики процесса ускорения ионов.

3.3. Анализ экспериментальных результатов.

4. КОЛЛЕКТОРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КАТОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

4.1. Времяпролетные измерения ионной компоненты.

4.2. Зависимость скорости ионов и амплитуды ионного тока от параметров разряда.

4.3. Измерение механического импульса катодной струи плазмы.

5. ОБСУЖДЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ПРИЧИН ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО УСКОРЕНИЯ ИОНОВ КАТОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ.

5.1. Ускорение основной ионной компоненты.

5.2. Ускорение быстрой ионной компоненты.

Введение диссертация по физике, на тему "Особенности процесса ускорения ионов катодной струи импульсного вакуумного разряда"

Вакуумные разряды, где плазмообразующим веществом является материал эродирующих электродов, являются предметом многочисленных исследований. Это связано, с одной стороны, с интересом к фундаментальным процессам, протекающим в вакуумных разрядах, а с другой - их различными приложениями. В частности, вакуумные разрядники находят широкое применение для коммутации сильноточных электрических цепей. Вакуумно-дуговые источники металлической плазмы используются в процессах нанесения покрытий в микроэлектронике и для улучшения характеристик поверхности, для обработки материалов, ионной имплантации и других задач. В последние годы на основе вакуумных разрядов были созданы источники для мощных ускорителей пучков многозарядных ионов металлов, применяемых в технологических целях, для задач медицины и в фундаментальных исследованиях.

Одним их наиболее интересных свойств вакуумного разряда является генерация катодных струй - потоков многозарядных ионов материала катода, движущихся в направлении анода, т.е. против приложенного электрического поля. Исследование характеристик этих потоков (зарядового состава и направленной скорости ионов, величины ионного тока и др.) и возможности управления ими путем варьирования параметров разряда представляет интерес для многих прикладных задач. К таким задачам относится, например, процесс нанесения вакуумно-дуговым методом алмазоподобных пленок, где с увеличением скорости ионов углерода улучшаются условия образования на поверхности подложки высокоупорядоченных структур атомов углерода. Возможность управления скоростью движения плазмы катодной струи представляет также интерес для создания вакуумных коммутаторов электрического тока с малым временем коммутации. Важность подобных исследований обусловлена также тем обстоятельством, что как показали эксперименты, скорость и зарядовый состав ионов плазмы катодной струи вакуумной дуги практически не зависят от тока разряда (при токах менее 1 кА) и геометрии электродной системы.

В связи с вышеизложенным, представляется актуальным экспериментальное исследование процессов ускорения ионов катодной струи в вакуумном искровом разряде, когда можно ожидать влияния эффектов, связанных как с нестационарным характером процессов в плазме катодной струи, так и с относительно высокими значениями амплитуды разрядного тока.

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований процессов ускорения ионов катодной струи в вакуумном искровом разряде. Особенностью экспериментальной установки была малая индуктивность разрядной цепи, что позволило получить высокие скорости нарастания и амплитуду разрядного тока в диапазоне 102 -г 104 А при относительно небольших напряжениях накопителя. В этих условиях можно было ожидать заметного увеличения скорости ионов, вследствие эффектов, связанных как с нестационарным характером процессов в плазме катодной струи, так и с относительно высокими значениями разрядного тока.

• Особенности процесса генерации пучков быстрых ионов в начальной стадии горения разряда и зависимость их параметров от характеристик разряда,

• Связь параметров быстрых ионов и основной ионной компоненты катодной плазменной струи,

• Возможность управления скоростью катодной струи в широком диапазоне величин.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнение в широком диапазоне изменения параметров разряда комплекса физических исследований, к основным из которых можно отнести следующие:

1. Измерение энергетических спектров быстрой ионной компоненты плазменной струи с использованием электростатического анализатора ионов.

2. Измерение локальных характеристик плазмы катодной струи с использованием ленгмюровских зондов.

3. Времяпролетные исследования скоростных и амплитудных характеристик катодной струи с помощью коллектора.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

На защиту выносятся следующие научные положения:

2. Эмиссия быстрых ионов наблюдается, начиная с некоторого минимального размера струи (2-КЗ мм), их энергия, при фиксированной скорости нарастания разрядного тока, линейно растет с увеличением длины межэлектродного промежутка.

Научная и практическая значимость работы.

1. Полученные зависимости параметров пучков быстрых ионов, генерируемых в начальной стадии искрового разряда, от его характеристик представляют существенный вклад в создание общей картины ускорительных процессов, протекающих в вакуумных разрядах. Эти данные могут быть использованы при создании нового класса источников быстрых ионов металлов на основе вакуумных искровых разрядов, где отсутствует высоковольтная система электродов, а ускорение ионов происходит в самосогласованных электромагнитных полях.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, Россия, 1995); XIII Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизированных газов (Попрад, Словакия, 1996); XVIII Симпозиуме по физике плазмы и плазменным технологиям (Прага, Чехия, 1997); II Всероссийской конференции по молекулярной физике неравновесных систем (Иваново, Россия, 2000); XIX-XXI Международных симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Сиань, Китай, 2000; Тур, Франция, 2002; Ялта, Крым, 2004); VI Международной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 2002); IV Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, МИФИ, 2003); XXXI Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, 2004).

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 124 страницы, содержит 37 рисунков и 1 таблицу. Список цитируемой литературы включает 107 наименований.

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе экспериментально исследованы процессы дополнительного (т.е. вне катодных микроструй, в объеме макроскопического плазменного потока) ускорения ионов катодной плазменной струи в вакуумном искровом разряде при различной длине разрядного промежутка и в широком диапазоне амплитуд токов разряда. При этом получены следующие результаты:

1. Исследованы условия, при которых в катодной плазменной струе появляется быстрая ионная компонента. Установлено, что характер движения катодной плазменной струи низковольтного вакуумного искрового разряда с высокой скоростью нарастания тока существенно зависит от параметров разряда. При относительно невысоких значениях скорости нарастания / и амплитуды тока разряда 1а катодная плазменная струя движется к аноду со скоростью, не зависящей от этих величин и близкой к скорости, регистрируемой в вакуумной дуге (~ 2 • 106 см/с). Когда скорость нарастания и амплитуда разрядного тока превышают некоторые пороговые значения, о лежащие вблизи 3-10 А/с и 400 Л, соответственно, помимо основной катодной струи возникает дополнительная «быстрая» ионная компонента, состоящая (при относительно высоком давлении остаточного газа в объеме

2-10~4 Торр) из ионов материала катода Си+и Си2+, а также легких ионов газовых примесей.

2. Установлено, что средние энергии быстрых ионов, измеренные в широком диапазоне амплитуд и скоростей нарастания разрядного тока, определяются этими параметрами: средняя энергия быстрых ионов £i растет с увеличением / согласно соотношению £г ос (/) • , так что при напряжении накопителя 1.5 кВ энергия ионов меди достигает Юкэ/?. Параметры пучков ускоренных ионов, наблюдавшихся в известных экспериментах Плютто [51,

52], соответствуют этому же скейлингу, что указывает на сходный механизм генерации быстрой компоненты.

3. Получены пространственные характеристики процесса ускорения. В частности, измерена средняя энергия быстрой ионной компоненты при различной длине разрядного промежутка 2 ч-15 мм и установлено, что механизм ускорения быстрых ионов начинает действовать на некотором макроскопическом расстоянии от катода, составляющем 2 ч- 3 мм. Обнаружено, что средняя энергия ионов линейно растет с увеличением длины межэлектродного промежутка при фиксированной скорости нарастания тока. Максимальная скорость нарастания тока разряда при этом является параметром, который определяет эффективность ускорительного механизма.

4. Обнаружена движущаяся с фронтом катодной струи область отрицательного объемного заряда, скорость которой в широком диапазоне параметров разряда оказывается близкой к средней скорости быстрых ионов. Величина отрицательного скачка потенциала, соответствующего этой области, и ее пространственный размер слабо меняются при изменении тока разряда в широком диапазоне значений.

5. Ток быстрых ионов, регистрируемый за анодом вблизи разрядного промежутка, сравним с током основной ионной компоненты, и растет с увеличением амплитуды разрядного тока 1а, так что полное число

11 быстрых ионов превышает 10 частиц в импульсе при 1а =10 кА.

6. Обнаружено, что скорость основной ионной компоненты катодной струи также определяется параметрами разряда. Скорость линейно растет с увеличением амплитуды разрядного тока и достигает 7-106 см!с при амплитуде 10 кА. Ионный ток также растет с увеличением причем характер этого роста аналогичен соответствующей зависимости для быстрых ионов.

7. Проведена оценка основных экспериментальных характеристик быстрой ионной компоненты, которые находятся в удовлетворительном согласии с предположением об ускорении фронта плазменной струи вследствие сжатия собственным магнитным полем тока. В то же время, обнаруженная во фронте струи область отрицательного объемного заряда, движущаяся со скоростью быстрых ионов, указывает на возможность их ускорения электрическим полем пространственного заряда локализованных во фронте электронов. Показано, что зависимость от тока разряда скорости основной ионной компоненты плазменной струи в широком диапазоне величин также удается с хорошей точностью объяснить предположением о сжатии катодной струи, как целого, магнитным полем разрядного тока.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных методик, сопоставлением и удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с результатами теоретического анализа и численного моделирования, а также сравнением полученных результатов с результатами других исследователей.

Исследования по теме диссертации были частично поддержаны грантами РФФИ № 95-02-04026-а, №00-02-27003.

Основные положения диссертации изложены в публикациях автора (см. в списке литературы [68, 72-77, 82-89, 106,107]).

Основная часть работы была проведена в соавторстве с научным руководителем, доктором физ. -мат. наук Паперным B.JI. и кандидатом физ. -мат. наук Красовым В.И. Личный вклад автора заключается в подготовке экспериментальной установки и диагностического оборудования, участие в проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов диссертационного исследования, участие в обсуждении и формулировке основных выводов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Автор выражает свою признательность Паперному Виктору Львовичу, под руководством которого велась данная работа и получены основные результаты, и благодарит Кринберга И.А. и Красова В.И. за полезные замечания при обсуждении результатов.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Горбунов, Сергей Петрович, Иркутск

1. Tanberg R. On the cathode of an arc drawn in vacuum // Phys. Rev., 1930, V. 45, №9, p. 1080-1089.

2. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. -М.: Наука, 1968. -244с.

3. Плютто А.А., Рыжков В.Н., Капин А.Т. Высокоскоростные потоки плазмы вакуумных дуг // ЖЭТФ, 1964, Т. 47, № 8, с. 494-507.

4. Davis W.D., Miller Н.С. Analysis of the electrode products emitted by dc arcs in a vacuum ambient // J. Appl. Phys., 1969, V. 40, № 5, p. 2212-2221.

5. Kutzner J., Miller H.G. Integrated ion flux emitted from the cathode spot region of a diffuse vacuum arc // J. Phys. D: Appl. Phys., 1992, V. 25, № 4, p. 686693.

6. Лунев B.M., Овчаренко В.Д., Хороших B.M. Исследование некоторых характеристик вакуумной металлической дуги I // ЖТФ, 1977, Т. 47, № 7, с. 1486-1490.

7. Лунев В.М., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование некоторых характеристик вакуумной металлической дуги II // ЖТФ, 1977, Т. 47, № 7, с. 1491-1495.

8. Аксенов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование плазмы стационарного вакуумного дугового разряда. 1. Формирование потоков плазмы // ТВТ, 1983, Т. 21, № 2, с. 219-229.

9. Tsuruta К., Sekiya К., Tan О., Watanabe G. Velocities of copper and silver ions generated from an impulse vacuum arc // Proc. XVIIth International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum, Berkeley, USA, 1996, V. l,p. 181-184.

10. Бугаев A.C., Гушенец В.И., Николаев А.Г., Оке Е.М., Юшков Г.Ю. Исследование направленных скоростей ионов материала катода в вакуумном дуговом разряде // ЖТФ, 2000, Т. 70, № 9, с.37-43.

11. И. Bugaev A.S., Gushenets V.I., Nikolaev A.G., Oks E.M., Yushkov G.Y. Influence of a current jump on vacuum arc parameters // IEEE Trans. Plasma Sci., 1999, V. 27, №4, p. 882-887.

12. Yushkov G.Y., Anders A., Oks E.M., Brown I.G. Ion velocities in vacuum arc plasmas // J. Appl. Phys., 2000, V. 88, № 10, p. 5618-5622.

13. Юшков Г.Ю., Бугаев A.C., Кринберг И.А., Оке Е.М. О механизме ускорения ионов в плазме вакуумного дугового разряда // ДАН, 2001, Т. 378, № 1, с. 41-43.

14. Brown I.G. Vacuum arc ion sources // Rev. Sci. Instrum., 1994, V. 65, № 10, p. 3061-3081.

15. Brown I.G., Galvin J.E. Measurements of vacuum arc ion charge-state distributions // IEEE Trans. Plasma Sci., 1989, V. 17, № 5, p. 679-682.

16. Brown I.G., Godechot X. Vacuum arc ion charge state distribution // IEEE Trans. Plasma Sci., 1991, V. 19, № 5, p. 713-717.

17. Byon E., Anders A. Ion energy distribution functions of vacuum arc plasmas // J. Appl. Phys., 2003, V. 93, № 4, p. 1899-1906.

18. Месяц Г.А., Баренгольц C.A. Механизм генерации аномальных ионов вакуумной дуги // УФН, 2002, Т. 172, № Ю, с. 1113-1130.

19. Кринберг И. А. Катодная плазменная струя при вакуумном пробое и в вакуумной дуге // Письма в ЖТФ, 1994, Т. 20, № 18, с. 81-85.

20. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумной дуге // Письма в ЖЭТФ, 1994, Т. 60, №6, с. 514-517.

21. Месяц Г.А. Эктон лавина электронов из металла // УФН, 1995, т. 165, №6, с. 601-625.

22. Anders A., Anders S., Jiittner В., Luck Н. High resolution imaging of vacuum arc cathode spots // IEEE Trans. Plasma Sci., 1996, V. 24, № 1, p. 69-70.

23. Siemroth P., Schulke Т., Witke T. Investigation of cathode spots and plasma formation of vacuum arcs by high speed microscopy and spectroscopy // IEEE Trans. Plasma Sci., 1997, V. 25, № 4, p. 571-579.

24. Вакуумные дуги / Под ред. Дж. Лафферти. -М.: Мир, 1982. -432с.

25. Gidalevich Е., Boxman R.L., Goldsmith S. Theory and modeling of the interaction of two parallel supersonic plasma jets // J. Phys. D: Appl. Phys., 1998, V.31,№3,p. 304-311.

26. Beilis I., Djakov B.E., Jiittner В., Pursch H. Structure and dynamics of high-current arc cathode spots in vacuum // J. Phys. D: Appl. Phys., 1997, V. 30, № 1, p. 119-130.

27. Anders A., Anders S., Juttner В., Brown I.G. Time dependence of vacuum arc parameters // IEEE Trans. Plasma Sci., 1993, V. 21, № 3, p. 305-311.

28. Juttner B. Nanosecond displacement times of arc cathode spots in vacuum // IEEE Trans. Plasma Sci., 1999, V. 27, № 4, p. 836-844.

29. Alferov D.F., Korobova N.I., Novikova K.P., Sibiriak I.O. An experimental study of a plasma expansion into vacuum Proc. XlVth International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum, Santa Fe, USA, 1990, p. 405408.

30. Алферов Д.Ф. Коробова Н.И., Сибиряк И.О. Развитие сильноточного импульсного электрического разряда в вакууме // Физика плазмы, 1993, Т. 19, № 3, с. 399-410.

31. Volkov N.B., Nemirovskii A.Z. The ionic composition of the non-ideal plasma produced by a metallic sphere isothermally expanding into vacuum // J. Phys. D: Appl. Phys., 1991, V. 24, № 5, p. 693-701.

32. Nemirovskii A.Z., Litvinov E.A. Dynamics of phase transition in the cathode spot of a vacuum arc // Proc 12th Symp. on High Current Electronics, Tomsk, Russia, 2000, p. 60-62.

33. Любимов Г.А. О механизме ускорения катодных струй пара // ДАН, 1975, Т. 225, №5, с. 1045-1048

34. Мойжес Б.Я., Немчинский В.А. Эрозия и катодные струи вакуумной дуги // ЖТФ, 1980, Т. 50, № 1, с. 78-86

35. Wieckert С. A multicomponent theory of the cathode plasma jet in vacuum arcs // Contrib. Plasma Phys., 1987, V. 27, № 5, p. 309-330.

36. Кринберг И.А., Луковникова М.П., Паперный В.Л. Стационарное расширение токонесущей плазмы в вакуум // ЖЭТФ, 1990, Т. 97, № 3, с. 806820.

37. Бейлис И.И., Зекцер М.П., Любимов Г.А. Анализ постановки и решение задачи о катодной плазменной струе вакуумной дуги // ЖТФ, 1988, Т. 58, № 10, с. 1861-1870.

38. Афанасьев В.П., Дюжев Г.А., Школьник С.М. Гидродинамическая модель плазменной струи катодного пятна вакуумной дуги. I. Расчет струи в критическом сечении // ЖТФ, 1992, Т. 62, № 11, с. 80-88.

39. Афанасьев В.П., Дюжев Г.А., Школьник С.М. Гидродинамическая модель плазменной струи катодного пятна вакуумной дуги. II. Расчет катодной струи // ЖТФ, 1993, Т. 63, № 3, с. 34-50.

40. Болотов А.В., Козырев А.В., Королев Ю.Д. Модель катодного слоя вакуумной дуги при немонотонном распределении потенциала в прикатодной плазме // Физика плазмы, 1993, Т. 19, № 5, с. 709-719.

41. Баренгольц С.А., Месяц Г.А, Шмелев Д.Л. Механизм генерации ионного потока в вакуумных дугах // ЖЭТФ, 2001, Т. 120, № 5(11), с. 12271236.

42. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. -М.: Наука, 2000. -424с.

43. Кринберг И А. Ускорение многокомпонентной плазмы в прикатодной области вакуумной дуги // ЖТФ, 2001, Т. 71, № 11, с. 25-31.

44. Hantzshce Е. A hydrodynamic model of vacuum arc plasmas // IEEE Trans. Plasma Sci., 1992, V. 20, № 1, p. 34-41.

45. Puchkarev V.F. Estimating the electron temperature from fluctuations in a vacuum arc plasma: cathode spot operation on a contaminated surface // J. Phys. D: Appl. Phys., 1991, V. 24, № 5, p. 685-692.

46. Anders A. Ion charge state distributions of vacuum arc plasmas: The origin of species // Phys. Rev. E, 1997, V. 55, № 1, p. 969-981.

47. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в вакууме. -Новосибирск.: Наука, 1984. -256с.

48. Литвинов Е.А. Кинетика катодного факела при взрывной эмиссии электронов // Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов / Отв. Ред. Г.А. Месяц, Новосибирск: Наука, 1974, с. 20-30.

49. Anders A., Yushkov G.Y. Ion flux from vacuum arc cathode spots in the absence and presence of a magnetic field // J. Appl. Phys., 2002, V. 91, № 8, p. 4824-4832.

50. Бугаев С.П., Искольдский A.M., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Электронно-оптическое наблюдение инициирования и развития импульсного пробоя короткого вакуумного промежутка // ЖТФ, 1967, Т. 37, № 12, с. 22062208.

51. Короп Е.Д., Плютто А.А. Ускорение ионов катодного материала при вакуумном пробое // ЖТФ, 1970, Т. 40, № 12, с. 2534-2537.

52. Короп Е.Д., Плютто А.А. Влияние плазмы на эмиссию острийного катода//ЖТФ, 1971, Т. 41, № 5, с. 1055-1062.

53. Bradley L. P., Kuswa G. W. Neutron production and collective ion acceleration in a high-current diode // Phys. Rev. Lett., 1972, V. 29, № 21, p.144Ы445.

54. Кошелев В.И., Ратахин H.A., Тимофеев M.H. Ускорение ионов в вакуумном диоде // ПМТФ, 1975, № 6, с. 6-8.

55. Кошелев В.И., Тимофеев М.Н. Исследование коллективного ускорения ионов в вакуумном диоде // ЖТФ, 1977, Т. 47, № 5, с. 972-976.

56. Плютто А.А., Суладзе К.В., Темчин С.М., Мхеидзе Г.П., Короп Е.Д., Цхадая Б.А., Головин И.В. Ускорение ионов релятивистским электронным пучком // ЖТФ, 1973, Т. 43, № 8, с. 1627-1631.

57. Fukai J., Clothiaux Е. J. Mechanism for the Hard—X-Ray Emission in Vacuum Spark Discharges // Phys. Rev. Lett., 1975, V. 34, № 14, p. 863-869.

58. Кондратенко A.H., Костенко B.B. Ускорение ионов электронными пучками // ЖТФ, 1989, Т. 59, № 1, с. 125-130.

59. Krinberg I.A. The hollow-charge effect in the cathodic plasma jet under vacuum breakdown // J. Phys. D: Appl. Phys., 1996, V. 29, № 7, p. 2049-2051.

60. Баренгольц С. А., Месяц Г. А., Перельштейн Э.А. Модель коллективного ускорения ионов в вакуумном разряде на основе концепции глубокой потенциальной ямы // ЖЭТФ, 2000, Т. 118, № 6(12), с. 1358-1365.

61. Диагностика плазмы / Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. Пер. с англ. -М.: Мир, 1967. -516с.63/ Афанасьев В.П., Явор С.Я. Энергоанализаторы заряженных частиц. -М.:Энергоатомиздат, 1985.-251с.

62. Калмыков В.И., Терешин А.С. Источник ионов с малым энергетическим разбросом // ПТЭ, 1981, № 5, с. 93-95.

63. Дмитриев В.Д., Лукьянов С.М., Пенионжкевич Ю.Э., Саттаров Д.К. Микроканальные пластины в экспериментальной физике (обзор) // ПТЭ, 1982, №2, с. 7-18.

64. Stockli М.Р., Fry D. Analog gain of microchannel plates for 1.5-154 keV/q Arq+ (3 < 16) II Rev. Sci. Instrum., 1997, V. 68, № 8, p. 3053-3060.

65. Mroz W., Fry D., Stockli M.P., Winecki S. Micro channel plate gains for Ta,0+ Ta44+ ions, measured in the energy range from 3.7 keV/q up to 150.7 keV/q // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 437, 1999, p. 335-345.

66. Методы исследования плазмы: спектроскопия, лазеры, зонды / Под ред. В. Лохте-Хольтгревена Пер. с англ. -М.: Мир, 1971. -533с.

67. Лебедев Ю.А. Введение в зондовую диагностику плазмы пониженного давления / М.: МИФИ, 2003, 56с.

68. Astrakhantsev N.V., Krasov V.I., Paperny V.L. Ion acceleration in a pulse vacuum discharge // J. Phys. D: Appl. Phys., 1995, V. 28, № 12, p. 2514-2518.

69. Астраханцев H.B., Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный В.Л. Динамика энерговыделения в импульсном вакуумном разряде // Тез. докл. Росс, конференции ФНТП-95, Петрозаводск, 1995, Т. 2, с. 202-203.

70. Астраханцев Н.В., Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный В.Л. Ускорение ионов в нестационарной плазменной струе // Тез. докл. Росс, конференции ФНТП-95, Петрозаводск, 1995, Т. 2, с. 146-148.

71. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Paperny V.L. The acceleration of a cathode-jet plasma in a pulse vacuum discharge // J. Phys. D: Appl. Phys., 1997, V. 30, № 13, p. 1922-1927.

72. Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный В.Л. Протяженная область "аномального" ускорения в катодной струе вакуумного разряда // Письма в ЖТФ, 1998, Т. 24, № 4, с. 66-70.

73. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Paperny V.L. A pinch of cathode plasma jet // Proc. 18th Symposium on Plasma Physics and Technology, Prague, Czech Republic, 1997, p. 69-73.

74. Николаев А.Г., Оке Е.М., Юшков Г.Ю. Влияние остаточного газа на зарядовое распределение ионов в плазме вакуумного дугового разряда // ЖТФ, 1998, Т. 68, № 9, с. 24-28.

75. Kimblin C.W. Erosion and ionization in the cathode spot regions of vacuum arcs // J. Appl. Phys., 1973, V. 44, № 7, p. 3074-3081.

76. Daalder J.E. Cathode spots and vacuum arcs // Physica B+C, 1981, V. 104, № 1-2, p. 91-106.

77. Артамонов М.Ф., Красов В.И., Паперный В.Л. Регистрация ускоренных многозарядных ионов из катодной струи вакуумного разряда // ЖЭТФ, 2001, т. 120, №6(12), с. 1404-1410.

78. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Krinberg I.A., Paperny V.L Source of metal ions with a variable velocity // Proc. XXth International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum, Tours, France, 2002, V. 2, p. 674-677.

79. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Krinberg I.A., Paperny V.L. Source of metal ions with a variable velocity // Proc. 6th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flow, Tomsk, Russia, 2002, p. 67-70

80. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Krinberg I.A., Paperny V.L. The vacuum spark as a source of metal ions with variable velocity // Plasma Sources Sci. Technol., 2003, V. 12, №3, p. 313-316.

81. Gorbunov S.P., Krasov V.I., Paperny V.L., Rusakov Yu.Yu. Pulsed source of intensive two-velocity beam of metallic ions // Proc. 13th International Symposium on High Current Electronics, Tomsk, Russia, 2004, p. 24-26.

82. Gorbunov S.P., Krasov Y.I., Paperny V.L., Rusakov Yu.Yu. Two-components ion flow in a low voltage vacuum spark // Proc. XXIth International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum, Yalta, Crimea, 2004, V. l,p. 186-188.

83. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г., Сизоненко В.Л., Хороших В.И. Неустойчивости в плазме вакуумной дуги при наличии газа в разрядном промежутке // Физика плазмы, 1985, Т. 11, с. 1373-1379(1).

84. Кринберг И.А., Зверев Е.А. Пространственная структура катодных плазменных струй в вакуумной дуге // Физика плазмы, 1999, Т. 25, № 1, с. 8895.

85. Борзенко В.П., Волков О.Л., Красов В.И., Кринберг И.А., Паперный В.Л., Симонов В.Г. Резистивное ускорение ионов в токонесущих плазменных струях // Физика Плазмы, 1991, Т. 17, с. 360-368.

86. Rosenthal Н., Beilis I., Goldsmith S., Boxman R.L. A spectroscopic investigation of the development of a hot-anode vacuum arc // J. Phys. D: Appl. Phys, 1996, V. 29, № 5, p. 1245-1259.

87. Anders A. Plasma fluctuations, local partial Saha equilibrium, and the broadening of vacuum-arc ion charge state distributions // IEEE Trans. Plasma Sci, 1999, V. 27, № 4, p. 1060-1067.

88. Anders A. A periodic table of ion charge-state distributions observed in the transition region between vacuum sparks and vacuum arcs // IEEE Trans. Plasma Sci, 2001, V. 29, № 2, p. 393-398.

89. Зверев Е.А., Кринберг И.А. Сжатие токового канала и повышение заряда ионов при усилении тока в импульсном вакуумном разряде // Письма в ЖТФ, 2000, Т. 26, № 7, с. 43-50.

90. Krinberg I.A., Paperny V.L. Pinch effect in vacuum arc plasma sources under moderate discharge currents // J. Phys. D: Appl. Phys., 2002, V. 35, № 6, p. 549-562.

91. Гурей A.E., Долгов A.H., Прохорович Д.Е., Савелов А.С., Тихомиров А.А. Корреляция параметров ионной эмиссии и рентгеновского излучения из плазмы микропинчевого разряда // Физика плазмы, 2004, Т. 30, № 1, с. 38-43.

92. Scheibe H.-J., Schultrich В., Ziegele Н., Siemroth, P. Deposition of superhard amorphous carbon films by pulsed arc sources // Proc. XVIIth International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum, Berkeley, USA, 1996, V. 2, p. 941-945.

93. Артамонов М.Ф., Красов В.И., Паперный В.JI. Наблюдение локальной области горячей плазмы в катодной струе вакуумного искрового разряда // Прикладная физика, 2003, №5, с. 34-37.

94. Долгов А.Н. Результаты регистрации энергетического г спектра корпускулярной эмиссии из плазмы микропинчевого разряда // Физика плазмы, 1996, Т. 22, № 7, с. 629-633.

95. Krasa J., Laska L., Rohlena К., Pfeifer M., Woryna E., Wolowski J. The effect of laser-produced plasma expansion on the ion population // Appl. Phys. Lett., 1999, V. 75, № 17, p. 2539-2541.

96. Laska L., Krasa J., Woryna E., Mroz W., Sharkov В., Haseroth H. Properties of iodine laser-produced stream of multiply charged heavy ions of different elements // Rev. Sci. Instrum., 2000, V. 71, № 2, p. 927-930.

97. Beilis I. I. Ion acceleration in vacuum arc cathode plasma jet with large rate of arc current rise // Proc. XXIth International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum, Yalta, Crimea, 2004, V. 1, p. 174-177.

98. Beilis 1.1. Nature of high-energy ions in the cathode plasma jet of a vacuum arc with high rate of current rise // Appl. Phys. Lett., 2004, V. 85, № 14, p. 27392740.

99. Горбунов С.П., Красов В.И., Кринберг И.А., Паперный В.Д., Зверев Е.А. Ускорений многозарядных ионов металлов во фронте катодного факела вакуумного искрового разряда // Прикладная физика, 2004, № 6, с. 83-90.

100. Горбунов С.П., Красов В.И., Паперный В.Л. Поток многозарядных ионов металлов из низковольтного вакуумного искрового разряда // XXXII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2005, с. 252.