Плазменный источник электронов для генерации непрерывных электронных пучков в области предельных рабочих давлений форвакуумного диапазона

Зенин, Алексей Александрович

Плазменный источник электронов для генерации непрерывных электронных пучков в области предельных рабочих давлений форвакуумного диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Зенин, Алексей Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Плазменный источник электронов для генерации непрерывных электронных пучков в области предельных рабочих давлений форвакуумного диапазона»

Автореферат диссертации на тему "Плазменный источник электронов для генерации непрерывных электронных пучков в области предельных рабочих давлений форвакуумного диапазона"

УДК 537.533

На правах рукописи

Зенин Алексей Александрович

ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕПРЕРЫВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ОБЛАСТИ ПРЕДЕЛЬНЫХ РАБОЧИХ ДАВЛЕНИЙ ФОРВАКУУМНОГО ДИАПАЗОНА

01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з 1'.;-ол 201-1

ТОМСК-2014 005550281

005550281

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» и федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, ТУСУР, г. Томск Оке Ефим Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, Московский государственный технологический университет «Станкин», г. Москва Метель Александр Сергеевич

доктор технических наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск Сергеев Виктор Петрович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет»

Защита состоится 10 сентября 2014 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 при федеральном государственном бюджетном образовательным учреждением высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», 634050, г. Томск, пр. Ленина 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: г. Томск, пр. Вершинина, 74, а также на официальном сайте ТУСУР http://tasur.ru/ru/science/education/diss.html

Автореферат разослан « » июня 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.П. Акулиничев

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Генерация электронных пучков при повышенных давлениях газа, вплоть до вывода пучка в атмосферу, представляет собой одно из приоритетных направлений дальнейшего развития электронно-лучевых технологий. Наиболее перспективными с точки зрения реализации этих задач представляются источники электронов с плазменным катодом. Отличительной особенностью плазменных источников электронов является, как известно, некритичность к вакуумным условиям и как следствие, возможность их эффективного функционирования при повышенных давлениях газа. Развиваемые в последние годы, так называемые форвакуумные плазменные источники электронов обеспечивают генерацию пучков различной конфигурации в непрерывном и импульсном режимах устойчивого функционирования в ранее недоступной форвакуумной области давлений вплоть до 15-20 Па. Достижение столь высоких давлений обусловило появление новых возможностей для электронно-лучевой модификации материалов, например обработки электронным пучком керамики и других диэлектриков.

Дальнейшее продвижение форвакуумных плазменных источников электронов в область более высоких давлений представляет интерес как с точки зрения развития самой техники генерации электронных пучков, так и для новых применений электронно-лучевых технологий. Очевидно, что предельное рабочее давление электронного источника обусловлено, главным образом, пробоем ускоряющего промежутка, под которым в данном случае подразумевается зажигание в промежутке низковольтной формы разряда, делающее невозможным ускорение электронов. Такие условия реализуются при достижении параметром рЛ минимума кривой Пашена. Хотя рабочая точка рс/ в форвакуумных плазменных источниках электронов все еще находится на левой ветви кривой Пашена, тем не менее, нарушение электрической прочности ускоряющего промежутка является основной проблемой, препятствующей эффективному функционированию таких устройств при более высоких давлениях. Присутствие электронного пучка в ускоряющем промежутке, как правило, ослабляет его электрическую прочность. Наряду с самим электронным пучком, одним из существенных факторов, способных оказать влияние на устойчивость работы источников электронов, является «паразитный» высоковольтный тлеющий разряд (ВТР), возникающий в ускоряющем промежутке.

Несмотря на определенное понимание основных физических процессов, ограничивающих рабочее давление форвакуумных плазменных источников электронов, вопрос о величине предельного давления электронных источников такого типа и способах его повышения остается открытым и требует проведения специальных исследований.

Цель работы состояла в проведении комплекса экспериментальных исследований, направленных на повышение предельного рабочего давления форвакуумных плазменных источников непрерывных электронных пучков.

Основные задачи настоящей работы заключались в определении ключевых факторов, ограничивающих работоспособность электронных источников при увеличении давления, а также поиск методов и технических решений, обеспечивающих расширение диапазона рабочих давлений в область более высоких значений. В задачи данной работы входили также исследования особенностей формирования, транспортировки и применения ускоренных электронных пучков, генерируемых в области предельных давлений форвакуумных плазменных источников электронов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что для форвакуумных плазменных источников электронов:

1. Установлена роль и определена степень влияния параметров возникающего в ускоряющем промежутке высоковольтного тлеющего разряда (ВТР) на предельное рабочее давление.

2. Предложены оригинальные технические решения, обеспечивающие подавление ВТР и обуславливающие возможность достижения рекордных рабочих давлений уровня 100 Па.

3. Выявлены особенности формирования и прохождения электронного пучка в области максимальных давлений и исследовано влияние давления газа на процессы рассеяния электронного пучка и снижения энергии электронов.

Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что на основании проведенных исследований:

1. Создан опытный образец форвакуумного плазменного источника электронов, способный функционировать при рабочих давлениях газа до 100-160 Па.

2. Показана принципиальная возможность реализации на основе форвакуумных плазменных источников процессов электронно-лучевого спекания алю-мооксидной и циркониевой керамик, а также вакуумно-плотной электроннолучевой пайки металла с керамикой.

3. Результаты работы могут быть использованы в других разрядных устройствах (плазменных ионных источниках, генераторах низкотемпературной плазмы), функционирующих в области рабочих давлений форвакуумного диапазона.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием дублирующих методик измерений, удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с результатами теоретических оценок и численного моделирования, а также практической реализацией полученных научных положений и выводов при создании электронного источника и его применении.

На защиту выносятся следующие научные положения:

портировки пучка. Превышение в полном токе электронного пучка тока ВТР над током эмиссии электронов из плазмы затрудняет возможность независимого регулирования тока и энергии электронного пучка и при дальнейшем повышении давления приводит к пробою ускоряющего промежутка.

2. Оптимизация конфигурации и размеров электродов ускоряющего промежутка форвакуумного плазменного источника электронов обеспечивает снижение в 2-3 раза тока высоковольтного тлеющего разряда в ускоряющем промежутке и обуславливает повышение верхнего предела области рабочих давлений электронного источника до 100 Па при использовании в качестве рабочего газа воздуха и до 160 Па - гелия. При работе электронного источника в области предельных рабочих давлений его максимальные параметры (ток и энергия электронов) снижаются в 2 -2,5 раза.

3. Для форвакуумных плазменных источников в процессе транспортировки электронного пучка при давлении газа (воздуха) до 30 Па рассеивается не более 30% ускоренных электронов, а расширение энергетического спектра и соответствующее уменьшение средней энергии электронного пучка составляет менее 10% от начальной энергии пучка. Такой уровень снижения параметров электронного пучка может считаться приемлемым для осуществления процессов электронно-лучевой обработки материалов. При более высоких давлениях эти источники электронов могут быть использованы для генерации объемной плазмы применительно к различным ионно-плазменным технологиям.

4. Создан экспериментальный образец форвакуумного плазменного источника электронов, обеспечивающий эффективную генерацию и транспортировку электронного пучка при давлении газа до 30 Па, что в 1,5 - 2,0 раза превышает ранее достигнутый уровень давлений. При ускоряющем напряжении 15 кВ ток сфокусированного пучка и плотность его мощности составляют 200 мА и 5*10' Вт/см2 соответственно. Достигнутые параметры электронного пучка обеспечили возможность электронно-лучевого спекания непроводящей алюмо-оксидной и циркониевой керамик, а также получение вакуумно-плотного соединения алюмооксидной керамики с алюминием и титаном.

Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на:

llth International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск, 2012) и 7th International scientific and technical conference «BEAM TECHNOLOGIES AND LASER APPLICATION» (Санкт-Петербург, 2013), 11 Международной конференции «Газоразрядная плазма и ее применения» (Томск 2013), 17 Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012), Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2011); 10 Международной конференции студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2013).

Личпый вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик эксперимента, проведении исследований и анализе их резуль-

татов. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации, на основании которых разработана конструкция плазменного источника электронов, работающего в непрерывном режиме. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично. Соавторы, принимавшие участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации.

Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 24 работы, включая 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, б текстов докладов на Международных конференциях. Предложенные в процессе работы по теме диссертации технические решения защищены 3 патентами РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка, список цитируемой литературы включает 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава «Генерация электронных пучков плазменными источниками в форвакуумной области давлений» носит обзорный характер и посвящена анализу известных из литературы сведений об особенностях функционирования форвакуумных плазменных источников электронов. Рассмотрены особенности формирования пучков в форвакуумной области давлений. Большое внимание уделено рассмотрению влияния обратного ионного потока на условия функционирования и параметры форвакуумных плазменных источников электронов. Вклад в обратный поток ионов вносят и ионы из анодной плазмы «паразитного» высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), ток которого при столь высоких давлениях становится соизмеримым с током из эмиссионной плазмы.

В форвакуумной области давлений зарядка диэлектрика, обрабатываемого электронным пучком, практически компенсируется ионами из плазмы, генерируемой самим пучком. Это открывает возможность электронно-лучевой обработки диэлектриков без использования дополнительного оборудования и методов для компенсации заряда пучка.

Несмотря на заметный прогресс, достигнутый в последнее время в разработке, исследовании и применении форвакуумных плазменных источников электронов, тем не менее, для успешного развития этих устройств требуется постановка и проведение дальнейших исследований.

В заключение главы сформулированы задачи исследований.

Вторая глава «Оборудование и методика проведения экспериментов» посвящена описанию экспериментальной установки, а также методик диагно-

1 п г ;и„

:—Cxi ————j hs» 1X1

стики пучка и пучковой плазмы. Форвакуумный плазменный источник электронов представлена на рис. 1.

При увеличении давления становится существенным ток высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), что ограничивает возможность независимого управления параметрами плазменного электронного источника, а также приводит к существенному снижению величины предельного ускоряющего напряжения.

Изменением геометрии ускоряющего промежутка можно повысить его электрическую прочность и добиться уменьшения тока ВТР. Определение оптимальной геометрии ускоряющего промежутка (максимальное ускоряющее напряжение при минимальном ВТР) проводилось на различных рабочих газах,

таких как кислород, аргон, гелий, воздух и др. Пробивное напряжение фиксировалось непосредственно перед резким возрастанием тока в цепи ускоряющего электрода.

Для определения параметров электронного пучка и эффективности его прохождения через остаточную атмосферу рабочего газа использовались следующие методы измерений: прямое измерение тока на коллекторе, калориметрия, измерение диаметра пучка, измерение энергетического спектра электронов, зондовые методы измерения параметров плазмы.

Оценка рассеяния пучка производилась путем измерения его диаметра на полувысоте амплитуды тока методом вращающегося двойного зонда. Для уменьшения уровня шумов, создаваемых пучковой плазмой, конструктивное исполнение зонда было изменено. В отличие от обычно используемой конструкции зонда в виде двух вращающихся проволочек в экспериментах зонд выполнен в виде вращающегося металлического диска с двумя прорезями и размещенным под диском неподвижным коллектором.

В форвакуумной области давлений использование электростатического энергоанализатора затруднено зажиганием разряда между его электродами.

Рисунок 1 - Схема форвакуумного плазменного источника электронов: 1- полый катод, 2- анод, 3- ускоряющий электрод, 4- фокусирующая катушка,

5- перфорированный электрод,

6- плазма, 7 - пучок электронов,

8- коллектор, Vf источник питания разряда, иа- источник ускоряющего напряжения.

Рисунок 2 - Устройство энергоанализатора: 1- коллиматорная щель шириной 100 мкм, 2-магнитный зазор соленоида. 3- электронный пучок, 4- пластина с щелями, 5- коллектор, б- экран.

Для измерения энергии электронов был выбран магнитный анализатор (рис. 2). Калибровка энергоанализатора проводилась в высоком вакууме (2 10"2 Па) с использованием плазменной электронной пушки.

Измерение концентрации пучковой плазмы и температуры электронов производилось с использованием одиночного Ленгмюровского зонда.

В третьей главе «Особенности формирования и транспортировки электронного пучка в области повышенных давлений» приведены результаты экспериментов, направленные на достижение максимальных рабочих давлений форвакуумного плазменного источника электронов. Повышение рабочего давления может привести к ситуации, когда электронный компонент тока высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), существующего в ускоряющем промежутке, превысит ток эмиссии плазменного источника. Электроны плазменного источника и ВТР ускоряются до одной и той же энергии, и в этом смысле они неразличимы. Но даже в отсутствие пробоя ускоряющего промежутка, вызванного существованием ВТР, такой режим генерации электронного пучка является нерабочим для плазменного источника электронов, поскольку при этом теряется возможность независимого управления током электронного пучка и его энергией. Эффективно ток ВТР может быть снижен оптимизацией геометрии ускоряющего промежутка и выбором соответствующего рабочего газа. Электродная схема исходного и модернизированного ускоряющего промежутка форвакуумного плазменного источника электронов представлена на рис. 3.

Рисунок 3 — Схема ускоряющего промежутка источника электронов: а - исходная геометрия, б - модернизированная геометрия;1- анод, 2- перфорированный электрод, 3- высоковольтный изолятор, 4- ускоряющий электрод (экстрактор).

За ток ВТР принимался ток нагрузки 1е источника ускоряющего напряжения в условиях равенства нулю тока разряда Для исходной геометрии ускоряющего промежутка при давлении 30 Па и ускоряющем напряжении 16 кВ ток ВТР может составлять 160 мА (рис. 4). Такое высокое значение тока ВТР приводит к недопустимому нагреву высоковольтного изолятора 3. Для снижения тока «паразитного» ВТР было принято во внимание, что ток ВТР определяется как протяженностью разрядного промежутка, так и площадью электродов. На основе моделирования и экспериментального тестирования ускоряющих промежутков с различными формами и размерами электродов была определена

и , кВ

Рисунок 4 — Зависимость тока нагрузки (тока ВТР) от ускоряющего напряжения при давлении 30 Па, рабочий газ — воздух, ток разряда = 0 мА: 1- исходная геометрия ускоряющего промежутка, 2- модернизированная геометрия ускоряющего промежутка.

Рисунок 5 - Зависимость тока коллектора от ускоряющего напряжения, рабочий газ-гелий: 1,2 - 60 Па, 3,4- 100 Па, 5,6- 160 Па, 1,3,5-/^=0 мА, 2,4,6-/^=600 мА.

U , кВ

Рисунок 6 - Зависимость тока коллектора от ускоряющего напряжения, рабочий газ-воздух: 1,2 - 20 Па, 3,4- 60 Па, 5,6- 100 Па, 1,3,5- /¿=0 мА, 2,4- /,,=200 мА, 6- /¿= 1фп , т.е. максимально допустимому при данном иа.

геометрия промежутка, оптимальная с точки зрения минимизации тока ВТР при сохранении электрической прочности.

В результате модернизации ускоряющего промежутка при напряжении 16 кВ и рабочем давлении 30 Па удалось снизить ток ВТР более чем в 3 раза до значений 40-50 мА, и тем самым, существенно уменьшить долю неуправляемого тока в ускоренном электронном пучке, а также ослабить тепловую нагрузку на элементы ускоряющей системы.

Вольтамперные характеристики форвакуумного плазменного источника электронов при работе на гелии и на воздухе приведены на рис. 5 и рис. 6 соответственно. При работе на гелии в отсутствие тока разряда, ток электронов, ускоренных в «паразитном» ВТР не превышает 10 мА при максимальном рабочем давлении 160 Па. Генерация плазмы в полом катоде, а следовательно, и эмиссия электронов из этой плазмы, обеспечивает ток пучка уровня 50 мА. Таким образом, доля неуправляемого тока ВТР в электронном пучке форвакуумного плазменного источника электронов не превышает на гелии 20%. Переход от гелия к воздуху заметно повышает ток ВТР при повышении давления (рис.6). При давлении 60 Па и ускоряющем напряжении 8 кВ ток пучка составляет 110 мА, а при давлении в 100 Па ток пучка значительно ниже, и не превышает 40 мА. Для обеспечения рабочего режима плазменного источника электронов, когда ток эмиссии электронов из плазмы превалирует над током ВТР, требуется соответствующее увеличение тока разряда в электронном источнике.

Увеличение тока разряда приводит, в конечном счете, к пробою ускоряющего промежутка. Для анализа зависимости напряжения пробоя от давления и тока

эмиссии И'З плазмы может быть использовано выражение, описывающее баланс ионов в пучковой плазме

аЮ,

'¿г»

е0Я

У:[

2Е'

ч <уп0ОМ

Уг

иУ,

где а- коэффициент, учитывающий зависимость тока ВТР от ускоряющего напряжения (был определен экспериментально), а - сечение ионизации газа электронами пучка, - ток электронов из плазмы разряда, 1]а - напряжение на ускоряющем промежутке, и0 - концентрация нейтральных молекул газа, /) - характерный продольный размер плазмы, равный ее диаметру, при котором еще возможно одномерное приближение, М - масса иона газа, Е - напряженность поля вблизи поверхности электрода. При условии задания значения критической напряженности поля Е=ЕС„ соответствующей образованию центров эмиссии на эмиссионном электроде, выражение позволяет найти величину напряжения пробоя ускоряющего промежутка.

При сохранении доминирования тока эмиссии электронов из плазмы над током ВТР, повышение рабочего давления форвакуумного плазменного источника электронов вызывает необходимость снижения тока электронного пучка и величины ускоряющего напряжения. При давлении в 60 Па и ускоряющем напряжении 8 кВ ток пучка составляет 110 мА, а при давлении в 100 Па ток пучка значительно ниже и не превышает 40 мА.

Диаметр пучка электронов измерялся для различных расстояний от выходной апертуры источника электронов до зонда (145, 170 и 190 мм.) при разных давлениях рабочего газа (рис. 7). По мере повышения рабочего давления, а также увеличения расстояния, пройденного электронным пучком, его диаметр значительно увеличивается (рис. 8). Основной причиной увеличения диаметра является рассеяние электронов на атомах рабочего газа.

Измерение тока пучка проводились двумя методами - методом прямого измерения тока и калориметрическим методом. Для удобства и наглядности представления результатов было выполнено сравнение в одной координатной плоскости экспериментальных данных измерения тока пучка, дошедшего до коллектора, с результатами расчета. Моделирова-

24 22 20 18 16 14 12 10

Р. Па

Рисунок 7 — Зависимость диаметра пучка от давления, ускоряющее напряжение 10 кВ, ток пучка 50 мА, рабочий газ -воздух: 1-г=145 мм, 2- 7.170 мм, 3- г=190мм.

Рисунок 8 — Распространение пучка в вакуумной камере для давлений 10 и 50 Па, рабочий газ — воздух, ускоряющее напряжение 10 кВ, ток пучка 50 мА.

ние производилось методом Монте-Карло для упругого и неупругого рассеяния моноэнергетического пучка электронов с энергией 2-10 кэВ в газе. На рис. 9 представлена типичная зависимость приведенного тока коллектора от пройденного пучком расстояния г. За нулевое значение взят ток при минимально возможном г=70 мм.

При давлении 30 Па потери тока доходят до 25%. Следует заметить, что экспериментальная и расчетная нормированные зависимости обнаруживают одинаковую тенденцию к спаду, но ток, полученный из калориметрических измерений, оказывался на 20-30 % ниже тока, рассчитанного с помощью модели.

Причиной такого расхождения может быть немоноэнергетичность пучка, вызванная как потерей энергии электронами в неупругих взаимодействиях с газовыми молекулами, так и составом пучка, в котором могут находиться электроны, возникшие в результате ионизации газа в ускоряющем промежутке.

На рис. 10 представлены функции распределения электронов пучка по энергии для двух значений давления газа - 16 Па и 10"3 Па и двух расстояний г — 9 см и 17 см от фокусирующей катушки электронного источника до входной апертуры энергоанализатора. Несмотря на относительно невысокую разрешающую способность этого измерительного устройства, на основе полученных результатов можно сделать заключение о том, что максимум распределения энергии электронного пучка с увеличением расстояния, пройденного пучком, сдвигается в сторону меньших значений энергий. Этот сдвиг оказывается более заметным с увеличением давления газа. Переход в форвакуумный диапазон давлений существенно расширяет энергетический спектр энергий электронов.

Несмотря на заметное возрастание поперечного сечения при транспортировке, такой электронный пучок может быть эффективно использован для обработки различных материалов, в том числе и диэлектриков. Привлекательным также представляется применение форвакуумных плазменных источников электронов для генерации объемной плазмы и инициирования плазмохимиче-ских реакций. Зондовые измерения показали, что температура электронов оказалась слабо зависящей от условий эксперимента и в расчетах концентрации принималась равной 2 эВ. Распределение концентрации плазмы измерялось как поперек пучка, так и вдоль траектории его распространения (рис. 11). За /-0

60 80 100 120 140 160 180

7-, мм.

Рисунок 9 — Зависимость тока коллектора от расстояния, рабочий газ - воздух, давление - 30 Па: 1- метод математического моделирования, 2- метод калориметрических измерений, 3- метод

Рисунок 10 — Распределения электронов пучка по энергии, ускоряющее напряжение 10 кВ, ток коллектора-30 мА: 1- 16 Па воздух, г=90 мм; 2-16 Па воздух, г= 170 мм; 3- 10"~ Па, 2=170 мм, калибровочный.

взята ось пучка Ускоряющее напряжение и ток пучка, дошедшего до коллектора, во всех экспериментах были одинаковы и равнялись и„ = 7 кВ и 4= 30 мА.

2\-—,----,-.-г—-,-.-,-• Ц-,-,-,-г-

0 1 2 3 4 5 6 30 35 40 45

Г, СМ X, см

а б

Рисунок 11 -Зависимость концентрации ионов гелия при давлении Р = 40 Па от: а- радиальной координаты г, для 7. равных: 1 - 28 см; 2-34 см; 3-40 см; б - продольной координаты г, для г равных: 1 - 0 см, 2-3 см, 3 - б см.

Из рис. 11 видно, что концентрация плазмы на периферии плазменного образования в два раза ниже чем на оси, в то время как вдоль продольной координаты г концентрация плазмы изменяется слабо.

При работе на других газах, таких как воздух, кислород, аргон характер зависимости распределения плазмы имеют практически те же значение, наблюдается спад концентрации с увеличением радиальной координаты, при этом концентрация плазмы составляет (2 - 7)* 101' м" \

Водяное сопротивление

Четвертая глава «Форвакуумный плазменный источник электронов для формирования пучков в диапазоне давлений 1-100 Па» посвящена описанию

форвакуумного плазменного источника электронов, обеспечивающего возможность генерации непрерывного электронного пучка при повышенных давлениях вплоть до 100 Па. Внешний вид разработанного источника электронов представлен на рис. 12.

Конструктивно форвакуумный плазменный источник электронов выполнен в едином корпусе из стали толщиной 2 мм, служащим для защиты от рентгеновского излучения. В состав источника электронов входят полый катод, анод, экстрактор, фокусирующая система, система охлаждения.

Основные рабочие параметры форвакуумного плазменного источника электронов с модернизированной геометрией ускоряющего промежутка приведены в таблице 1.

Система фокуонров!

Рисунок 12 - Внешний вид форвакуумного плазменного источника электронов.

Таблица 1 - Основные параметры источника электронов.

Напряжение разряда 300-600 В

Ускоряющее напряжение 5-15 кВ

Ток разряда 0,1-1 А

Ток пучка 20 - 200 мА

Диаметр пучка от 10 мм.

Режим работы Непрерывный

Время непрерывной работы до 8 часов

Рабочие газы Воздух, гелий, аргон, кислород, азот, углеводороды и др.

Давление газа 20-30 Па - оптимальное 100 Па - максимальное

Как уже отмечалось, использование для генерации электронного пучка источника с плазменным катодом, функционирующего в форвакуумном в диапазоне давлений, позволяет решить проблему накопления заряда на поверхности облучаемого диэлектрика. Именно этот фактор и обеспечил возможность электронно-лучевого спекания электрически непроводящей керамики.

В качестве объекта для спекания использовались образцы алюмооксидной и диоксидциркониевой керамик в виде дисков, изготовленных методом прессования из порошка. Для равномерного нагрева образцов облучение проводилось с двух сторон электронными пучками с примерно одинаковой плотностью мощности. Спрессованный образец б (рис. 13) помещался на графитовый тигель 7 в специальный держатель и располагался в плоскости перпендикулярной оси электронных пучков 5.

5- пучок электронов, 6- спекаемый образец, 7- графитовый тигель, 8- дополнительные зеркала, 9- смотровое окно, 10 - пирометр.

Измерение температуры образца проводилось бесконтактным методом при помощи пирометра НАУТЕК 1МН. Для визуального наблюдения за поверхно-

стью спекаемого образца, а также для контроля фокусировки пучков электронов на спекаемом образце в вакуумную камеру было дополнительно установлено два зеркала 8. Электронно-лучевое спекание керамики проходило при температуре 1300-1400 °С, время изотермической выдержки изменялось от 0 до 60 мин. На рис. 14 представлена поверхность циркониевой керамики до и после спекания.

/л

а о

Рисунок 14 - Изображения поверхностной зёренной структуры циркониевой керамики: а - неспеченная керамика, б - спеченная керамика.

Образцы циркониевой керамики после электронно-лучевого спекания имели среднюю плотность 95 % от теоретического значения (максимальное значение плотности достигло 97,3 %). После спекания поверхность образцов ровная, глянцевая. Режимами электронно-лучевого спекания можно регулировать размер зёрен в объёме керамики в пределах от 0,7 мкм до 24 мкм при сравнительно небольших отклонениях значений средней плотности от 97,3 % до 93,6 %.

Другим применением разработанного форвакуумного плазменного источника электронов является электронно-лучевая пайка металла с керамикой. В ходе анализа литературных данных и проведения ряда экспериментов для пайки была подобрана пара титан - алюмооксидная керамика, в качестве связующего элемента (припоя) между ними использовался алюминий (рис. 15).

Исследование полученных металлокерамических соединений методами растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа

(рис. 16) выявили, что структура переходной зоны алюминий-керамика более резкая по сравнению с зоной алюминий-титан, что может свидетельствовать о частичном растворении титана в алюминии. Испытание на устойчивость к тер-моциклированию паянных образцов показало их способность выдержать до 10 циклов (нагрев-охлаждение) без появления трещин в паяном шве. Прочность на разрыв полученных соединений достига-

Рисунок 15 - Образцы до (слева) и после 1

(справа) пайки: вверху титан ВТ-5, внизу ЛЗ 20 МПа, Причем разрыв ПРОИСХОДИЛ керамика ВК94-1. ПО аЛЮМИНИЮ.

Рисунок 16 — Распределение концентрации п элементов на границе керамика-алюминий-титан.

Приведенные результаты указывают на перспективность использования электроннолучевого метода для получения вакуумно-плотного металлокерамиче-ского соединения. Важной особенностью предлагаемого способа пайки является отсутствие операции металлизации керамики, что заметно упрощает создание металлокерамических узлов и позволяет получать соединения металл-керамика в одном технологическом цикле.

В заключении изложены основные результаты работы:

1. Для измерения параметров электронного пучка, генерируемого форваку-умным плазменным источником электронов в области предельных рабочих давлений, выбраны и обоснованы следующие экспериментальные методики: сочетание прямых измерений тока пучка на коллекторе с калориметрией, измерение диаметра электронного пучка с помощью вращающегося диска, измерения энергетического спектра электронов электромагнитным анализатором, зондовая методика измерения параметров пучковой плазмы, сочетание термопары и пирометра для измерения температуры поверхности керамики, обрабатываемой электронным пучком.

2. Экспериментально показано, что в форвакуумном плазменном источнике электронов расширение рабочего диапазона давлений в область более высоких значений ограничено доминированием в электронном пучке компонента тока высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), существующего в ускоряющем промежутке и в области транспортировки пучка и обеспечивающего поток ускоренных до полного напряжения ионов в сторону эмиссионного электрода электронного источника. Превышение в полном токе электронного пучка тока ВТР над током эмиссии электронов из плазмы затрудняет возможность независимого регулирования тока и энергии электронного пучка и при дальнейшем повышении давления приводит к пробою ускоряющего промежутка.

3. Предложены и реализованы технические решения конструкции ускоряющего промежутка форвакуумного плазменного источника электронов, оптимизирующие его конфигурацию и размеры для подавления «паразитного» высоковольтного тлеющего разряда в ускоряющем промежутке. В результате удалось снизать ток ВТР в 2-3 раза и тем самым повысить верхний предел области рабочих давлений электронного источника до 100 Па при использовании в качестве рабочего газа воздуха и до 160 Па - гелия. При этом в области предельных рабочих давлений форвакуумного плазменного источника электронов его максимальные параметры (ток и энергия электронов) снижаются в 2 -2,5 раза.

4. На основе исследований процессов транспортировки электронного пучка при повышенных давлениях определены области давлений в наибольшей степени приемлемые для конкретных применений форвакуумного плазменного ие-

точника электронов. Так при давлении газа (воздуха) до 30 Па рассеивается не более 30% ускоренных электронов, а расширение энергетического спектра и соответствующее уменьшение средней энергии электронного пучка составляет менее 10% от начальной энергии пучка. Такой уровень снижения параметров электронного пучка может считаться приемлемым для осуществления процессов электронно-лучевой обработки материалов. При более высоких давлениях эти источники электронов могут быть использованы для генерации объемной плазмы применительно к различным ионно-плазменным технологиям.

5. В результате проведенных исследований создан опытный образец плазменного источника электронов, формирующий пучок с энергией и током 15 кэВ, 200 мА при давлении до 30 Па и 10 кэВ, 100 мА при давлении до 100 Па.

6. С использованием созданного форвакуумного плазменного источника электронов показана возможность электронно-лучевого спекания непроводящей алюмооксидной и циркониевой керамик, а также получения вакуумно-плотного соединения алюмооксидной керамики с алюминием и титаном.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Бурдовицин В. А. Расширение рабочего диапазона форвакуумных плазменных источников электронов в область более высоких давлений / В. А. Бурдовицин, А. К. Гореев, А. С. Климов, А. А. Зенин, Е. М. Оке // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82. - Вып. 8. - С. 62-66.

2. Зенпн А. А. Генерация стационарных электронных пучков форвакуум-ным плазменным источником в области давлений 100 Ра / А. А. Зенин, А. С. Климов, В. А. Бурдовицин, Е. М. Оке // Письма в журнал технической физики.

- 2013. - Т. 39. - Вып. 10.-С. 9-14.

3. Зенин А. А. Электронно-лучевая пайка алюмооксидной керамики с металлом с применением форвакуумного плазменного источника электронов / А. А. Зенин, А. С. Климов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2013. - № 1 (27). - С. 10-13.

4. Золотухин Д. Б. Параметры плазмы, создаваемой электронным пучком в форвакууме / Д. Б. Золотухин, А. С. Климов, А. А. Зенин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2013.

- № 4 (30). - С. 79-82.

5. Казаков А. В. Электронно-лучевой синтез диоксидциркониевой керамики / А. В. Казаков, А. С. Климов, А. А. Зенин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2012. - № 2(26). -ч. 2. - С. 186-189.

Статьи в сборниках статей и трудов конференций:

6. Zenin A. A. Features of the functioning plasma electron source based on discharge with hollow cathode at high pressure / A. A. Zenin, A. S. Klimov, A. V. Kazakov, V. A. Burdovitsin, E. M. Oks // Известия вузов. Физика. - 2012. - T. 55.

- № 12/3.-С. 220-222.

7. Zenin A. A. Sintering of alumina ceramics using plasma electron source / A. A. Zenin, A. S. Klimov, A. V. Kazakov, E. M. Oks, E. S. Dvilis, O. L. Khasanov // Известия вузов. Физика. - 2012. - T. 55. - № 12/3. - С. 216-220.

8. Климов А. С. Тепловые процессы при спекании керамики с использованием плазменного электронного источника / А. С. Климов, А. А. Зсиии, А. С. Жигалкина // Известия вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 3/3. - С. 176-180.

9. Зенин А. А. Особенности транспортировки электронного пучка, генерируемого плазменным источником в форвакуумной области давлений / А. А. Зенин, А. С. Климов, Д. Б. Золотухин, E. М. Оке // Известия вузов. Физика. -2014. - Т. 57. - № 3/3. - С. 136-140.

10. Оке E. М. Особенности формирования сфокусированного пучка электронов форвакуумным плазменным источником при повышенных давлениях / E. М. Оке, Ю. А. Бурачевский, В. А. Бурдовицин, А. А. Гришков, А. А. Зенин, А. С. Климов // Успехи прикладной физики. - 2013. - Т. 1. - № 1. - С. 60-64.

11. Burdovitsin V. Electron beam sintering of zirconia ceramics / V. Burdovitsin, E. Dvilis, A. Zenin, A. Klimov, E. Oks, V. Sokolov, A. Kachaev // Advanced Materials Research. - 2014. - Vol. 872,- pp 150-156.

Патенты:

12. Пат. Российская Федерация, МПК В23К 1/005 (2006.01), В23К 1/19 (2006.01), В23К 103/18 (2006.01). Способ изготовления трубчатого соединения алюмооксидной керамики с металлом / В. А. Бурдовицин, А. А.Зенин, А. С. Климов, E. М. Оке; заявитель и патентообладатель Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - № 2012125918/02 (040000); заявл. 21.06.2012 (Решение о выдаче патента).

13. Пат. 116734 Российская Федерация, МПК Н05Н 5/00 (2006.01). Газоразрядный электронный источник / В. А. Бурдовицин, А. К. Гореев, А. А. Зенин, А. С. Климов, E. М. Оке; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - № 2011144541/07; заявл. 02.11.2011; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15.-3 е.: ил.

14. Пат. Российская Федерация, МПК НОЮ 4/12 (2006.01). Способ спекания изделий диэлектрической керамики / В. А. Бурдовицин, А. А. Зенин, А. С. Климов, E. М. Оке; заявитель и патентообладатель Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - № 2012147494/07 (076253); заявл. 07.11.2012 (Решение о выдаче патента).

Тираж 100 экз. Заказ 519. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Зенин, Алексей Александрович, Томск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

О к 01 к 6 0 -1 & На правах рукописи

Зенин Алексей Александрович

ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕПРЕРЫВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ОБЛАСТИ ПРЕДЕЛЬНЫХ РАБОЧИХ ДАВЛЕНИЙ

ФОРВАКУУМНОГО ДИАПАЗОНА

01.04.04 - Физическая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Оке Е.М.

ТОМСК-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ ПЛАЗМЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ В ФОРВАКУУМНОЙ ОБЛАСТИ ДАВЛЕНИЙ..............................................................................8

1.1 Эмиссия электронов из плазмы в форвакуумной области давлений..............................8

1.2 Влияние обратного ионного потока на условия функционирования и параметры форвакуумных плазменных источников электронов.........................................................13

1.3 Потенциал изолированного коллектора, облучаемого электронным пучком в форвакуумной области давлений.........................................................................................17

1.4 Электронно-лучевая обработка непроводящей керамики форвакуумными плазменными источниками........................................................................................................................23

1.5 Выводы и постановка задач исследований........................................................................27

ГЛАВА 2 ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ...........29

2.1 Форвакуумный плазменный источник электронов на основе разряда с полым катодом...............................................................................................................................29

2.2 Диагностика параметров электронного пучка и пучковой плазмы.................................34

2.2.1 Измерение тока пучка..............................................................................................34

2.2.2 Измерение диаметра пучка.....................................................................................36

2.2.3 Энергетический спектр электронов.......................................................................37

2.2.4 Измерение параметров пучковой плазмы..............................................................39

2.3 Оборудование и методика для электронно-лучевой обработки непроводящей керамики.............................................................................................................................41

2.3.1 Электронно-лучевое спекание керамики...............................................................41

2.3.2 Электронно-лучевая пайка металла с керамикой.................................................43

2.4 Выводы..................................................................................................................................45

ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ОБЛАСТИ ПОВЫШЕННЫХ ДАВЛЕНИЙ..............................46

3.1 Влияние геометрии ускоряющего промежутка на предельные параметры форвакуумного плазменного источника электронов.....................................................................................46

3.2 Формирование электронного пучка....................................................................................53

3.3 Параметры электронного пучка и пучковой плазмы в области транспортировки........57

3.3.1 Диаметр пучка..........................................................................................................57

3.3.2 Ток пучка..................................................................................................................58

3.3.3 Энергия пучка...........................................................................................................60

3.3.4 Пучковая плазма.......................................................................................................62

3.4 Выводы..................................................................................................................................65

ГЛАВА 4 ФОРВАКУУМНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКОВ В ДИАПАЗОНЕ ДАВЛЕНИЙ 1-100 ПА..................................66

4.1 Конструкция источника электронов...................................................................................66

4.2 Электронно-лучевое спекание непроводящей керамики.................................................71

4.2.1 Электронно-лучевое спекание алюмооксидной керамики.......................................71

4.2.2 Электронно-лучевое спекание циркониевой керамики............................................76

4.3 Электронно-лучевая пайка металла с керамикой..............................................................86

4.4 Выводы..................................................................................................................................92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................................93

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................................96

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................................................105

ВВЕДЕНИЕ

Генерация электронных пучков при повышенных давлениях газа, вплоть до вьюода пучка в атмосферу, представляет собой одно из приоритетных направлений дальнейшего развития электронно-лучевых технологий. Наиболее перспективными с точки зрения реализации этих задач представляются источники электронов с плазменным катодом. Отличительной особенностью плазменных источников электронов является, как известно, некритичность к вакуумным условиям, и как следствие, возможность их эффективного функционирования при повышенных давлениях газа. Развиваемые в последние годы, так называемые форвакуумные плазменные источники электронов обеспечивают генерацию пучков различной конфигурации в непрерывном и импульсном режимах устойчивого функционирования в ранее недоступной форвакуумной области давлений вплоть до 15-20 Па. Достижение столь высоких давлений обусловило появление новых возможностей для электронно-лучевой модификации материалов, например обработки электронным пучком керамики и других диэлектриков.

Дальнейшее продвижение форвакуумных плазменных источников электронов в область более высоких давлений представляет интерес как с точки зрения развития самой техники генерации электронных пучков, так и для новых применений электронно-лучевых технологий. Очевидно, что предельное рабочее давление электронного источника обусловлено, главным образом, пробоем ускоряющего промежутка, под которым в данном случае подразумевается зажигание в промежутке низковольтной формы разряда, делающее невозможным ускорение электронов. Такие условия реализуются при достижении параметром рс1 минимума кривой Пашена. Хотя рабочая точка рй в форвакуумных плазменных источниках электронов все еще находится на левой ветви кривой Пашена, тем не менее, нарушение электрической прочности ускоряющего промежутка является основной проблемой, препятствующей эффективному функционированию таких устройств при более высоких давлениях. Присутствие в ускоряющем промежутке электронного пучка, как правило, ослабляет его электрическую прочность. Наряду с самим электронным пучком, одним из существенных факторов, способных оказать влияние на устойчивость работы источников электронов, является «паразитный» высоковольтный тлеющий разряд (ВТР), возникающий в ускоряющем промежутке.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что на основании проведенных исследований:

2. Показана принципиальная возможность реализации на основе форвакуумных плазменных источников процессов электронно-лучевого спекания алюмооксидной и циркониевой керамик, а также вакуумно-плотной электронно-лучевой пайки металла с керамикой.

Содержание диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка, 6 таблиц. Список

цитируемой литературы и публикаций включает 92 источника, из которых 24 представляют собой публикации автора по теме диссертации.

В первой главе приведен анализ имеющихся в литературе публикаций, посвященных форвакуумным плазменным источникам электронов. Описаны принципы функционирования таких устройств и представлены предельные рабочие параметры, достигнутые на момент начала работы. Рассмотрены основные факторы, ограничивающие работу плазменных источников электронов, среди которых важную роль играют обратный поток ионов из пучковой плазмы и высоковольтный тлеющий разряд (ВТР). Проведен обзор особенностей электроннолучевой обработки непроводящих материалов в форвакуумной области давлений и представлены результаты поверхностной обработки керамики, спекания керамики, а также соединения керамических и металлокерамических деталей. В заключение главы формулируются задачи исследований.

Вторая глава посвящена оборудованию и методике проведения эксперимента. Описана экспериментальная установка с форвакуумными плазменными источниками электронов, функционирующими в непрерывном режиме работы. Рассмотрены особенности зондовой методики измерения параметров пучковой плазмы, образующейся по мере прохождения пучка через остаточную атмосферу рабочего газа. Описаны методики измерения тока электронного пучка методами непосредственных токовых измерений, моделирования и калориметрии, а также измерения диаметра электронного пучка методом вращающегося двойного зонда и энергетического спектра электронов с помощью магнитного энергоанализатора.

В третьей главе представлены результаты исследования особенностей генерации электронных пучков форвакуумным плазменным источником электронов при повышенных давлениях. Определена оптимальная геометрия ускоряющего промежутка, обеспечивающая снижение тока ВТР и соответственно повышение рабочего давления электронного источника. Приведены результаты измерения параметров электронного пучка при давлении рабочего газа до 100 Па.

В четвертой главе описана конструкция и приведены параметры форвакуумного плазменного источника цилиндрического пучка электронов на основе тлеющего разряда с полым катодом, разработанного в результате проведенных исследований. Представлены результаты технологического применения плазменного источника электронов в таких операциях как электронно-лучевое спекание алюмооксидной и циркониевой керамик, пайка металла с керамикой.

В заключении сформулированы основные результаты исследований.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В форвакуумном плазменном источнике электронов расширение рабочего диапазона давлений в область более высоких значений ограничено доминированием в токе электронного пучка компонента тока высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), существующего в ускоряющем промежутке и в области транспортировки пучка. Превышение в полном токе электронного пучка тока ВТР над током эмиссии электронов из плазмы затрудняет возможность независимого регулирования тока и энергии электронного пучка и при дальнейшем повышении давления приводит к пробою ускоряющего промежутка.

4. Создан экспериментальный образец форвакуумного плазменного источника электронов, обеспечивающий эффективную генерацию и транспортировку электронного пучка при давлении газа до 30 Па, что в 1,5 - 2,0 раза превышает ранее достигнутый уровень давлений. При ускоряющем напряжении 15 кВ ток сфокусированного пучка и плотность его мощности составляют 200 мА и 5*103 Вт/см2 соответственно. Достигнутые параметры электронного пучка обеспечили возможность электронно-лучевого спекания непроводящей алюмооксидной и циркониевой керамик, а также получение вакуумно-плотного соединения алюмооксидной керамики с алюминием и титаном.

ГЛАВА 1 ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ ПЛАЗМЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ В ФОРВАКУУМНОЙ ОБЛАСТИ ДАВЛЕНИЙ

Генерация электронных пучков в источниках с плазменным катодом, функционирующих в области повышенных давлений, может осуществляться как со стационарной, так и с нестационарной плазменной границы. К последним относятся источники электронов со взрывоэмиссионным катодом [1,2] и устройства на основе так называемых «убегающих электронов» [3]. Эмиссия электронов из нестационарных плазменных образований имеет ряд особенностей, главная из которых состоит в ограничении длительности генерации электронного пучка на уровне, не превышающем единиц микросекунд. В устройствах для получения непрерывных электронных пучков или импульсных пучков с длительностью импульса в десятки и сотни микросекунд плазменная эмиссионная граница стационарна. В сущности, такое принципиальное различие в поведении плазменной эмиссионной границы обуславливает и различные подходы к созданию плазменных источников электронов, эмиссия электронов из которых осуществляется со стационарной или нестационарной границы плазмы. Поскольку объект исследования настоящей диссертационной работы состоит в изучении возможности генерации непрерывных электронных пучков в форвакуумной области давлений, то в настоящей главе проведен анализ известных литературных данных, которые имеют непосредственное отношение только к источникам электронов со стационарной эмиссионной границей плазмы.

1.1 Эмиссия электронов из плазмы в форвакуумной области давлений

В работе [5, с.41] плазменный катод определяется как «...электроразрядное устройство, формирующее плазму, с границы которой осуществляется эмиссия электронов». В самом общем случае источник электронов с плазменным катодом включает в себя два основных узла: генератор плазмы и систему формирования электронного пучка [4,5]. Идеализированная простейшая схема плазменного катода представлена на рис. 1.1.

Выбор той или иной разрядной системы для генерации плазмы обусловлен требуемыми эмиссионными параметрами: величиной плотности тока, размерами эмиссионной поверхности, однородностью распределения эмиссионных параметров и др. Как и для источников ионных пучков [6] в плазменных ис