Источник электронов на основе разряда с полым катодом для генерации пучков в форвакуумном диапазоне давлений

• Автор: Мытников, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 189 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
Развитие новых и совершенствование существующих технологий модификации поверхностных свойств конструкционных материалов, связанных с использованием электронных пучков, стимулирует разработку новых источников электронов. В настоящее время созданы электронные пушки, генерирующие электронные пучки с широким

спектром рабочих параметров и применяющиеся в различных

технологических процессах - термической обработке, пайке, электроннолучевой сварке, осаждении покрытий, получении новых материалов, плазмохимической технологии и т.д. Традиционный диапазон рабочих давлений большинства современных электронных источников находится в пределах 10'3-1 мТорр. Создание электронной пушки, надежно

функционирующей и обеспечивающей стабильные характеристики

' - f
электронного пучка при более высоких давлениях - в форвакуумном диапазоне, позволило бы существенно расширить возможности установок электронно-лучевой технологии, а также отказаться от использования дорогостоящих диффузионных и турбомолекулярных насосов. В первую очередь это относится к установкам плазмохимической технологии, в которых диапазон рабочих давлений в зоне реакции составляет 10 мТорр -1 Topp. Задача повышения верхней границы диапазона давлений в рабочей зоне плазмохимического реактора является крайне актуальной, так как производительность установки и рентабельность технологии определяется скоростью прокачки рабочего газа. Практически во всех существующих установках плазмохимической технологии, область генерации пучка и зона реакции разделяется сложной и дорогостоящей системой дифференциальной откачки. Осуществление генерации электронов в форвакуумном диапазоне давлений, позволило бы отказаться от

использования систем дифференциальной откачки и сделать технологический процесс более простым, надежным и рентабельным. Обеспечение требуемых параметров электронного пучка и соблюдение необходимых технологических режимов в тяжелых вакуумных условиях (форвакуумный диапазон давлений), присутствие интенсивного обратного потока ионов, разрушающего катод, наличие химически агрессивной среды предъявляют особые требования, которым существующие электронные источники не удовлетворяют в полной мере. Электронные пушки с термокатодом в силу известных недостатков не могут быть использованы для работы в подобных условиях. Из плазменных источников электронов в аналогичных режимах работают источники на основе высоковольтного тлеющего разряда. Однако они имеют целый ряд недостатков - низкий к.п.д., большой разброс электронов по скоростям, сильную взаимосвязь основных параметров и т.д. В этом отношении гораздо лучшими характеристиками обладают источники на основе тлеющих разрядов, в частности разряд с полым катодом. В то же время, отсутствуют сведения о работе таких источников в форвакуумном диапазоне давлений.
В последние годы большой интерес вызывает возможность создания неравновесных условий в области протекания химической реакции в плазмохимических реакторах на основе стационарного пучковоплазменного разряда. Использование коллективных процессов в плазме для нагрева электронов в зоне реакции, открывает новые перспективные методы решения задач современной химии. Проблема реализации пучково-плазменного разряда в установках плазмохимической технологии для осуществления различных реакций диссоциации и синтеза имеет огромное значение в прикладном отношении, так как её решение позволит реализовать новые технологические процессы.

Таким образом, тематика диссертационной работы, посвященная исследованию оптимальных условий создания газоразрядной плазмы, особенностей эмиссии электронов из плазмы разряда и их ускорения в условиях высоких давлений, процессов транспортировки электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений, влияния магнитного поля на процессы генерации и транспортировки пучка, поиск условий зажигания пучково-плазменного разряда и изучение параметров пучковой плазмы, разработку на основе проведенных исследований простой и надежно функционирующей электронной пушки, использующей только механические средства откачки, реализацию оптимальных условий для осуществления плазмохимических реакций на базе разработанного источника электронов представляется актуальной.
Основными задачами данной работы являются:
1. Исследование параметров тлеющего разряда с полым катодом в форвакуумном диапазоне давлений, в условиях эмиссии электронов, с магнитным полем и без него.
2. Исследование условий стабильной генерации электронного пучка в разрядно-эмиссионной системе на основе разряда с полым катодом в форвакуумном диапазоне давлений.
3. Исследование процесса формирования и распространения электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений и определение оптимальных условий зажигания пучково-плазменного разряда.
4. Создание простой и надежной конструкции электронного источника обеспечивающей стабильные характеристики электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений.

давление рабочего газа - З*103 - 2 Па - не более 15 мТорр. Источники этого типа просты при настройке и эксплуатации конструкции ПИЭЛ, достаточно экономичны. Однако этот тип источников имеет очень существенный недостаток - предельное значение рабочего давления таких источников находится в диапазоне - от 2 до 5 Па (от 15 до 35 мТорр) [56]. Не вдаваясь в подробное рассмотрение физических основ работы и конструктивных особенностей ПИЭЛ на основе контрагированного дугового разряда [57], локализованного разряда с полым катодом, источников на основе взрывной электронной эмиссии [58] и других, необходимо отметить, что ограничение верхней границы диапазона рабочих давлений на уровне 1 Па является серьезной причиной сдерживающей возможности применения ПИЭЛ в различных технологических процессах, прежде всего в плазмохимических, где необходимо устойчивая генерация пучка при давлениях 50-150 мТорр в химически агрессивных средах.
В ряде технологий, особенно плазмохимических, необходимо выводить ускоренные пучки из области генерации в среду с более высоким давлением. Это осуществляется через специальные фольги из Ті, А1, Ве и их сплавов. Наличие фольги, разделяющей области формирования и использования пучка, является существенным недостатком, резко снижающим эффективность технологического процесса.
Проходя через фольгу, пучок теряет от 30 до 60 % энергии; к тому же для нормального функционирования таких устройств, необходимы система охлаждения фольги и наличие специальных поддерживающих фольгу опорных структур. Так например, в одном из ПИЭЛ для вывода пучка диаметром 7 мм использовалась структура из нержавеющей стали с геометрической прозрачностью 0.6, в которой каждая круглая ячейка диаметром 10 мм охлаждалась водой. К тому же, использование фольги в ПИЭЛ возможно только в импульсном режиме генерации пучка.