Золотухин Д.Б., к.т.н. Юшков Ю.Г.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

О возможности создания плазмы в диэлектрическом сосуде инжекцией электронного пучка

Генерация электронных пучков в форвакуумной области давлений 2–12 Па расширяет область применений электронного пучка, позволяя, к примеру, обрабатывать электронным пучком непроводящие материалы, в частности, керамику [1]. Проведенные ранее эксперименты показали, что стекание заряда с непроводящей мишени [1,2] через создаваемую пучком плазму предотвращает торможение электронного пучка, и, как следствие, повышает эффективность обработки. Поэтому дальнейшим развитием идеи обработки непроводящего материала электронным пучком стало исследование возможности создание пучковой плазмы внутри диэлектрического сосуда при инжекции внутрь него электронного пучка.

Эксперименты проводились на установке, схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1 – Схема эксперимента: 1 – полый катод, 2 – анод, 3 – ускоряющий электрод (экстрактор), 4 – электронный пучок, 5 – эмиссионная плазма, 6 – фокусирующая система, 7 – вакуумная камера, 8 – кварцевая полость, 9 – пучковая плазма, 10 – зонды Ленгмюра, 11 – источник питания разряда, 12 – источник ускоряющего напряжения, 13 – источник напряжения смещения на зонды.

Электронный пучок 4 создавался форвакуумным источником электронов в непрерывном режиме. Электроны извлекались из плазмы тлеющего разряда 5 напряжением U_d = 300 – 500 В между полым катодом 1 и анодом 2 с током разряда I_d в диапазоне от 100 до 400 мА. Пучок извлекался из плазмы разряда через отверстия в аноде 2, ускорялся до энергии 3 кэВ напряжением U_a на промежутке анод 2 – экстрактор 3 и фокусировался магнитным полем катушки 6. Ток пучка оценивался по току I_e в цепи источника ускоряющего напряжения 12 и был равен 40 – 60 мА. Вакуум в камере 7 поддерживался механическим форвакуумным насосом, давление рабочего газа – аргона – устанавливалось равным 2–12 Pa и регулировалось натекателем. Ускоренный электронный пучок инжектировался в цилиндрическую кварцевую полость 8 с внутренним диаметром 40 мм, длиной 200 мм, толщиной стенки 2 мм и создавал внутри нее плазму 9. Для исследования продольного распределения параметров пучковой плазмы вдоль ее оси z применялись пять одинаковых одиночных плоских зондов Ленгмюра 10, введенных в полость через отверстия диаметром 6 мм, выполненных в боковой стенке. Диаметр принимающей поверхности каждого из зондов был равен 3 мм. Расстояние от оси пучка до поверхности зондов составляло 15 мм. Для предотвращения попадания на зонды быстрых электронов пучка каждый из зондов был окружен защитным экраном, находящимся под плавающим потенциалом. Зонды жестко фиксировались относительно оси пучка и стенок камеры, а полость можно было извлекать для выявления различий в поведении параметров плазмы внутри полости и в условиях свободной транспортировки пучка в камере. Координата z отсчитывалась от открытого торца полости.

В рамках данной работы исследовались особенности поведения плавающего потенциала зондов, поскольку экспериментальное измерение этого параметра является наиболее простым и надежным. Результаты измерения плавающего потенциала зондов показаны на рис. 1 и 2.

1

2

Рис. 1 – Плавающий потенциал U_f зонда (z = 52 мм) в зависимости от давления, в полости (1), и в свободном пространстве (2). Ток пучка 60 мА.

В случае, когда плазма заключена в полости (Рис.1, кривая 1), U_f имеет более отрицательное значение, и оно понижается с уменьшением давления, что может быть связано с накоплением электронов в полости из-за ухудшения уноса заряда в связи с понижением концентрации плазмы. Повышение U_f с понижением давления в отсутствие полости (Рис.1, кривая 2) может быть связано с усилением ухода электронов из области плазмы из-за снижения числа соударений с молекулами газа. Характер продольного распределения плавающего потенциала в полости (Рис.2) зависит от давления. Так, при 12 Па величина U_f растет вглубь полости, при 6 Па – снижается. Вместе с тем, в случае отсутствия полости плавающий потенциал вдоль z координаты практически не меняется. Наличие продольного градиента плавающего потенциала в плазме и его характер может способствовать возникновению дрейфового потока электронов с поперечного сечения плазмы в сосуде, компенсирующего инжектируемый электронный пучок.

Рис. 2 – Продольное распределение плавающего потенциала в полости, при давлении 1 – 12 Па, 2 – 6 Па, 3 – 2,5 Па. Условия эксперимента: I_e = 60 мА, U_a = 3 кВ.

Таким образом, результаты эксперимента демонстрируют отличия в характере поведения плавающего потенциала пучковой плазмы, создаваемой в диэлектрической полости, по сравнению с аналогичными параметрами плазмы, создаваемой в свободном пространстве транспортировки пучка. Для более полного понимания ответственных за это процессов требуется дальнейшее экспериментальное исследование и численное моделирование.

Литература:

[1] Бурдовицин В.А. О возможности электронно-лучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений / Бурдовицин В.А., Климов А.С., Окс Е.М. // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. Вып. 11. С. 61 – 66.

[2] Бурдовицин В.А. Компенсация заряда изолированной мишени при облучении импульсным электронным пучком в форвакуумной области давлений / Бурдовицин В.А., Гулькина В.С., Медовник А.В., Окс Е.М. // Журнал технической физики. – 2013. – Т. 83, № 12. – С. 134 – 136.