Генерация плазмы и формирование ионных пучков в источнике с сетчатым плазменным катодом и магнитным мультиполем

• Автор: Каменецких, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Глава I. Особенности генерации плазмы в двухступенчатых газоразрядных

системах

1.1. Генерация плазмы в двухступенчатых газоразрядных

системах

1.2. Применение многополюсных магнитных систем в источниках

ионов

1.3. Свойства газоразрядного плазменного катода с сеточной стабилизацией

1.4. Выводы и постановка задач исследований

Глава II. Генерация плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с

многополюсным магнитным полем в области анода

2.1. Принцип работы и конструкция газоразрядной системы

2.2. Вольтамперные характеристики разряда с полым катодом
2.3. Параметры и ионно-эмиссионные свойства анодной плазмы
2.3.1. Параметры анодной плазмы
2.3.2. Эмиссионные свойства анодной плазмы
2.4. Особенности работы плазменного катода в двухступенчатой газоразрядной системе
2.4.1. Потенциал катодной плазмы и режимы эмиссии плазменного катода
2.4.2. Устойчивость биполярного диода между плазмой первой и второй ступени
2.4.3. Влияние площади плазменного катода на эмиссионные и энергетические характеристики газоразрядной системы
2.5. Выводы
Глава III. Формирование пучка в ионно-оптических системах с протяжённым
ионным слоем между плазмой и экранным электродом
3.1. Конструкция ионно-оптической системы
3.2. Угловая расходимость пучка ионов
3.2.1. Зависимость угла расходимости от первеанса
3.2.2. Зависимость оптимального значения первеанса от напряжения
на ионном слое
3.2.3. Влияние напряжения на ионном слое на эффективность извлечения ионов из плазмы и минимальный угол
расходимости пучка
3.2.4. Влияние давления газа на эффективность извлечения ионов
3.3. Экспериментальное исследование процессов в области распространения ионного пучка
3.3.1. Схема эксперимента
3.3.2. Баланс токов на электроды модифицированного цилиндра Фарадея
3.3.3. Результаты экспериментов с модифицированным цилиндром Фарадея
3.4. Выводы
Глава IV. Источник широких пучков ионов газов с сетчатым плазменным
катодом и магнитным мультиполем в области анода
4.1. Конструкция ионного источника
4.2. Рабочие характеристики источника
4.1. Выводы
Заключение
Список литературы

Разработка плазменно-эмиссионных устройств подразумевает поиск. наиболее эффективных способов генерации первичных электронов и формирования плазмы с требуемой концентрацией, зарядовым и массовым составом ионов, а также площадью эмиссионной поверхности и распределением плотности эмиссионного тока в характерных для работы устройства условиях.
Требования, предъявляемые к электронному эмиттеру и генератору плазмы в рамках конкретного технологического применения, накладывают ограничения на возможность использования тех или иных разрядных устройств и диапазон изменения их рабочих параметров. Преодолеть эти трудности и существенно расширить диапазон рабочих параметров ионных источников позволило использование двухступенчатых разрядных систем. В устройствах на основе двухступенчатого разряда первая ступень является плазменным катодом, во второй ступени создаются условия для наиболее полной энергетической релаксации инжектированных электронов и формирования ионного эмиттера. Оптимизация условий в каждой из ступени позволяет не только сформировать электронный и ионный эмиттер с требуемыми характеристиками, но и понизить рабочее давление, напряжение горения разряда, что способствует увеличению газовой экономности и энергетической эффективности ионного источника. Кроме того, образование первичных электронов, сопровождающееся распылением и испарением материала катода в результате ионной бомбардировки и нагрева, происходит в первой ступени, что обеспечивает значительное снижение примесей ионов металла в пучке.
Важным шагом в развитии двухступенчатых систем было создание источников с сетчатым плазменным катодом, использование которого позволяет независимо изменять ток эмиссии и энергию быстрых электронов и открывает дополнительную возможность по управлению плотностью плазмы, зарядовым и массовым составом ионов. Для дальнейшего улучшения

области эмиссии электронов из плазменного катода. С противоположной от сетки стороны устанавливался экранный электрод 7, либо неперфорированный коллектор, на который осуществлялся отбор ионов из анодной плазмы. Сетка и. экранный электрод находились под одним потенциалом, напряжение между сеткой и анодом и2 задавалось источником питания второй ступени (ИПР2) и изменялось в диапазоне 50 - 200 В.
Многополюсная магнитная система, используемая для удержания инжектированных электронов в анодной камере, состоит из рядов постоянных магнитов 8. Сформировать магнитный мультиполь можно как с помощью постоянных магнитов, так и с помощью электромагнитов. Однако, для создания сильного магнитного поля электромагнитом, требуются значительные энергозатраты и введение в схему электропитания ионного источника дополнительных блоков. Современные постоянные магниты позволяют получать поля со значениями магнитной индукции до 0,5 Тл, их использование более выгодно для создания эффективных систем удержания электронов. Величина индукции магнитного поля на поверхности полюсов используемых в устройстве магнитов составляет 0,25 Т. Магниты устанавливались на внешней стороне полого анода в двенадцать рядов, как это показано на рис. 2.2. Соседние ряды обращены в сторону анода противоположными полюсами, в каждом отдельном ряду полюса магнитов совпадают. Такое расположение магнитов исключает образование зон с нулевой напряженность поля у поверхности электрода и обеспечивает экранирование максимальной площади. Согласно уравнениям (1.8, 1.9), для такой конфигурации многополюсной магнитной системы площадь потерь быстрых электронов равна 30-40 см2, что соответствует 10 - 15% от площади анода, при этом область, в которой влияние магнитного поля на параметры плазмы с концентрацией ~1012 см'3 несущественно, имеет диаметр ~80 мм. На поверхности полого катода также устанавливались магниты.
В экспериментах по исследованию режимов эмиссии плазменного катода и генерации плазмы регистрировались токи электронов и ионов, поступающих