Источники широкоапературных пучков ионов газов и металлов на основе дугового и тлеющего разрядов при пониженном давлении

• Автор: Юшков, Георгий Юрьевич
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 351 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ИОННЫХ ПУЧКОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДОВ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ХОЛОДНЫМИ КАТОДАМИ

1.1. Вакуумный дуговой разряд в источниках ионов металлов.

1.1.1. Методы получения пучков ионов металла в источниках

на основе вакуумного дугового разряда

1.1.2. Распределение ионов плазмы вакуумного дугового разряда

по зарядам и скоростям

1.1.3. Влияние магнитного поля и давления газа на

параметры плазмы в вакуумных дуговых ионных источниках

1.2. Тлеющий разряд с полым катодом для генерации

пучков ионов газов
1.2.1. Физические особенности процессов генерации плазмы
1.2.2. Сильноточный тлеющий разряд с полым катодом в источниках заряженных частиц.
1.3. Источники ионов на основе разрядов низкого давления
1.3.1. Источники ионов на основе дугового разряда с катодным пятном.
1.3.2. Источники заряженных частиц на основе разряда с полым катодом
1.4. Выводы и постановка задач исследований
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРЯДОВ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С
ХОЛОДНЫМИ КАТОДАМИ
2.1. Методика исследовашй параметров плазмы разрядов.
2.1.1. Особенность зондовой методики измерения параметров плазмы.
2.1.2. Исследование массзарядового состава плазмы.
2.2. Тлеющий разряд с внешней инжекцией электронов в
катодную полость
2.2.1. Газоразрядная система с внешней инжекцией электронов
2.2.2. Особенности инжекции электронов в плазму разряда
2.2.3. Влияние конфигурации электродов на разряд и параметры плазмы
2.3. Вакуумный дуговой разряд.
2.3.1. Генерация плазмы в разрядных системах на основе вакуумной дуги
2.3.2. Эмиссионный метод исследования параметров
плазмы вакуумного дугового разряда
2.4. Выводы.
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ СКОРОСТЕЙ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА ЭМИССИОННЫМИ МЕТОДАМИ
3.1. Исследование влияния заряда ионов на их направленную
скорость в плазме
3.1.1. Направленные скорости ионов в условиях низкого давления газа.
3.1.2. Скорости ионов при повышенном давлении газа
3.2. Исследование направленных скоростей ионов для различных
МАТЕРИАЛОВ КАТОДОВ.
3.2.1. Влияние напряжения горения вакуумной дуги на направленную скорость ионов
3.2.2. Скорости ионов различных материалов катодов
3.3. Анализ результатов экспериментов и их сравнение
с существующими моделями ускорения ионов
3.4. Выводы.
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНОЙ ДУГИ.
4.1. Генерация многозарядных ионов в вакуумной дуге с сильным
магнитным полем.
4.2. Генерация многозарядных ионов при нестационарных процессах
ИОНИЗАЦИИ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНОЙ ДУГИ
4.2.1. Особенности разрядных устройств для исследования зарядового распределения в условиях нестационарных процессов.
4.2.2. Увеличение зарядности ионов при приложении
дополнительного импульса тока вакуумной дуги
4.2.3. Зарядовое распределение ионов при сочетании дополнительных импульсов тока с внешним магнитным полем.
4.2.4. Исследование влияния повторяющихся скачков тока на зарядовое распределение ионов металла
4.3. Использование электронного пучка для многократной
ионизации в вакуумной дуге
4.4. Выводы
ГЛАВА 5. ГЕНЕРАЦИЯ ИОНОВ ГАЗА В ВАКУУМНОМ ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ.
5.1. Исследование процессов в плазме вакуумного дугового разряда,
приводящих к появлению ионов газовых примесей.
5.1.1. Влияние давления газа на массзарядовое распределение
ионов в плазме дугового разряда.
5.1.2. Влияние состояния поверхности электродов
на появление ионов примесей.
5.2. Генерация широкоапертурных пучков ионов газа и металла с регулируемым соотношением компонентов.
5.2.1. Исследование генерации ионов в разрядной системе
на основе двух независимых дуговых разрядов.
5.2.2. Генерирование пучков ионов газа и металла
на основе вакуумного дугового разряда в магнитном поле
5.3. Инициирование вакуумного дугового разряда
газоразрядной плазмой.
5.4. Выводы.
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ ИНЖЕКЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ НА ПАРАМЕТРЫ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ И ЕГО ИОННОЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА.
6.1. Влияние инжекции электронов на параметры
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ.
6.1.1. Инициирование разряда.
6.1.2. Область рабочих давлений разряда
6.1.3. Напряжение горения разряда
6.1.4. Влияние инжекции электронов на параметры разряда
в условиях отбора ионов из плазмы
6.1.5. Массзарядовый состав ионного пучка.
6.2. Предельные параметры разрядной системы с полым катодом
6.3. Формирование и транспортировка пучков ионов
ПРИ НИЗКОМ ДАВЛЕНИИ ГАЗ А
6.3.1. Особенности использования различных ускоряющих
систем для формирования пучков ионов.
6.3.2. Особенности транспортировки ионного пучка.
6.4. Выводы
ГЛАВА 7. ИСТОЧНИКИ ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
7.1. Источники ИОНОВ НА основе вакуумной дуги
7.1.1. Источник ионов на основе вакуумной дуги, инициируемой пеннинговским разрядом в сильном магнитном поле
7.1.2. Модернизация вакуумных дуговых ионных источников типа .
7.1.3. Модернизация ионного источника Титан
7.1.4. Поперечное извлечение ионного пучка из плазмы вакуумной дуги
7.2. Ионный источник на основе тлеющего разряда с полым катодом и внешней инжекцией электронов.
7.3. Некоторые применения ионных источников
7.3.1. Применение пучков ионов газов и металлов, генерируемых источниками на основе вакуумного дугового разряда
7.3.2. Применение устройств на основе тлеющего разряда
с полым катодом и внешней инжекцией электронов.
7.3.3. Исследование вторичной ионноэлектронной эмиссии
ионов металлов.
7.4. ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Именно экспериментальный факт зависимости скорости направленного движения ионов от их заряда лежит в основе объяснения полученных авторами 9 результатов с привлечением гипотезы горба потенциала. Таким образом, скорости ионов различной зарядности V, отличаются от предсказываемой гипотезой зависимости у ос уо. Указанное расхождение объясняется совместным действием гидродинамического механизма ускорения ионов и их ускорения в горбе потенциала 0. В ряде других работ, например в 7, также не наблюдается присущей ускорению ионов горбом потенциала зависимости энергии ионов от их зарядности и это объясняется появлением более многозарядных ионов вдали от области вершины горба, а в экспериментах Царуты и сотрудников 6 при определенных условиях измеренные скорости ионов вообще не зависели от зарядности. Тем не менее, гипотеза горба потенциала является на сегодняшний момент достаточно привлекательной при описании ряда экспериментальных фактов. Рассмотрим, как освящается вопрос ускорения ионов в плазме вакуумной дуги в современных теоретических исследованиях. Таким образом, один и тот же физический процесс ускорение ионов в катодной области вакуумной дуги объясняется на основе различных физических механизмов, а иногда 0 и их совместным действием. Совершенно очевидно, что необходимо проведение экспериментальных исследований, определяющих условия применимости каждого механизма. Отметим также тот факт, что скорости ионов измерены лишь для ограниченного круга материалов, а их значения, даже для одного материала катода, различаются от работы к работе. Вакуумнодуговой источник ионов металлов относится к устройствам, для которых создание магнитного поля или напуск газа в разрядный промежуток не являются необходимым условием их работы. Тем не менее, применение магнитного поля или повышение давления за счет напуска газа существенно влияют на параметры и состав плазмы, приводя к изменению эмиссионных характеристик ионных источников такого типа. Так, магнитное поле величиной 0 мТл в катодной области разряда обеспечивает стабилизацию движения катодного пятна на поверхности катода 2, 3, что способствует более устойчивой работе источника, а также более равномерному износу катода. Накладывая магнитное поле, обеспечивающее замагничивание электронного компонента плазмы вакуумной дуги, можно осуществлять эффективную транспортировку плазменного потока в область отбора ионов или управлять распределением плотности ионного тока по сечению пучка. Создание магнитного поля величиной 5 мТл в анодной области вакуумной дуги увеличивает эффективность извлечения ионного тока в ,5 раза 3, 4. Кроме того, с помощью магнитного поля в анодной части разряда можно изменять распределение плотности ионного тока по сечению пучка от распределения, близкого к гауссовому, к более однородному или даже с провалом в центре 4, 5. Повышение давления при напуске рабочего газа ведет к снижению доли более высокозарядных составляющих ионного потока плазмы вакуумной дуги и соответствующему уменьшению его среднего заряда. Несмотря на то, что давление напускаемого газа оказывается существенно меньше, чем давление в области катодного пятна, где протекают основные процессы ионизации, оно может существенно влиять на зарядовый состав плазмы вакуумной дуги. В работах также показано, что повышение давления газа в разрядном промежутке вакуумного дугового разряда при одновременном создании магнитного поля величиной до мТл ведет к появлению в извлекаемом пучке, наряду с ионами металла, ионов газа рис. Наряду с магнитным полем, доля газового компонента ионного тока определяется давлением и родом используемого газа, а также материалом катода, и его максимальное значение изменяется от 5 для гелия до для ксенона. Это может быть использовано для управления долей газового компонента в ионном пучке. Необходимо также проведение экспериментальных исследований по выявлению области разряда, в которой происходит основная ионизацию газа, а также изучение влияния конфигурации разрядного промежутка на этот процесс. Использование в вакуумнодуговом источнике ионов сильного магнитного поля величиной до 0,3 Тл ведет к увеличению средней зарядности ионного пучка рис. Из рис.