Климов А.С.
Томский государственный
университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
О возможности формирования тонкого
ленточного электронного пучка в форвакуумной области давлений
Развитие в последние годы ионно-плазменных
методов модификации поверхностей, включая плазмохимические технологии синтеза
покрытий различного назначения, обусловило потребность в ленточных электронных
пучках, генерируемых в так называемой форвакуумной области давлений (1–100 Па).
Этот диапазон рабочих давлений может быть легко достигнут с использованием лишь одной ступени
механических средств вакуумной откачки. Плазменные источники электронов на основе разряда с протяженным полым
катодом представляют собой эффективные устройства получения ленточных
электронных пучков [1-3] и генерации плазмы большой площади. Генерация
стационарных электронных пучков источниками на основе систем с плазменным
катодом в области повышенных давлений, особенно в форвакуумном диапазоне, не
имеет реальной альтернативы. Однако для транспортировки ленточных электронных
пучков, как правило, используется продольное магнитное поле, что не всегда
приемлемо при проведении технологических операций.
Цель работы состояла в проведении исследований,
направленных на получении слаборасходящегося электронного пучка ленточной
конфигурации без использования продольного магнитного поля в форвакуумной
области давлений.
Эксперименты
проводились с использованием макета плазменного источника ленточного пучка электронов
[4], специально разработанного для функционирования в форвакуумной области
давлений (рис. 1.1). Источник
включал в себя выполненный из нержавеющей стали полый катод 1 размером 380*146*68 мм. В плоский анод 2,
размером 390*146*15 мм, устанавливались
вставки 3, определяющие ширину
эмиссионного окна. Геометрия ускоряющего промежутка задавалась с помощью
экстракторного электрода 4 и пары
вставок изменяемой формы 5. Полый
катод, анод и экстрактор электрически изолировались друг от друга капролоновыми
изоляторами 6.
Рисунок 1. Схема ленточного источника электронов. 1 – полый
катод, 2 – анод, 3 – вставка в анод с мелкоструктурной сеткой, 4 – экстрактор,
5 – вставки в экстрактор, 6 – капролоновые изоляторы.
Электрическое
питание источника осуществляется от двух выпрямителей разрядного Ud
и ускоряющего Ua напряжений в непрерывном режиме работы устройства.
Для
измерения распределения эмиссионного тока по толщине пучка использовался
подвижный коллектор 3 с коллимирующим
отверстием d = 3мм, расположенный на расстоянии l = 20 см от
эмиссионного электрода (рис. 1). Поперечный размер электронного пучка
определялся как ширина на полувысоте распределения тока.
Поскольку основным фактором, влияющим на
форму траекторий эмитированных пушкой электронов, является распределение электростатического
поля ускоряющем промежутке, то для снижения расходимости ленточного пучка были
предложены к рассмотрению варианты изменения геометрии ускоряющего промежутка (рис. 2).
в г 3 2 1 а б 4
Рис.
2 Схемы ускоряющих промежутков с изменением геометрии.1 – анод с
мелкоструктурной металлической сеткой, 2 - диэлектрический изолятор, 3 –
экстрактор, 4 – вставки в экстрактор разных конфигураций.
Во
всех экспериментах ускоряющее напряжение и ток пучка составляли 8 кВ и
100 мА, соответственно. Давление в вакуумной камере поддерживалось на
уровне 8-10 Па.
На
рисунке 3 представлены распределения эмиссионного тока по ширине пучка для
различной геометрии ускоряющего промежутка (рис. 2, а-г).
Рис
2.1 Зависимость тока коллектора от
координаты X при различных конфигурациях ускоряющего промежутка.
Как
показали эксперименты, наиболее узкий электронный пучок получается при конфигурации ускоряющего промежутка г.
В результате
работы была проведена модернизация геометрии электродов ускоряющего промежутка
в источнике ленточного электронного пучка, позволившая получить
слаборасходящийся электронный пучок без использования для его фокусировки
магнитного поля. При давлении газа 8
Па, ускоряющем напряжении 8 кВ и токе пучка 100 мА, его ширина на расстоянии 20
см от ускоряющего электрода составила 1,5 см при ширине эмиссионного окна в
аноде 1 см.
Литература:
1. Giclens S.W.A., Peters P.J.M.,
Witterman W.J., etal.//Rev. Sci. Instrum. – 1996. – V.67.–No. 7. – P.
2449–2452.
2. Osipov
V.V., Gavrilov N.V., Bureyev O.A., etal. // Laser Physics. – 2006. – V. 16. –
No. 1. –P. 68–78.
3. Гаврилов Н.В., Осипов В.В., Буреев О.А. и
д р. // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т. 31. – Вып. 3. –С. 72–78.
4.
Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А.,
Окс Е.М, Федоров М.В. Особенности формирования однородного ленточного пучка
электронов плазменным источником в форвакуумной области давлений // ЖТФ. –
2004. – Т. 74, № 1. – C. 104-107.