Форвакуумный плазменный источник импульсного электронного пучка на основе контрагированного дугового разряда

Полезная модель относится к области плазменной техники и может быть применена в электронно-лучевой технологии, в частности при разработке устройств, предназначенных для генерации импульсных электронных пучков, и технологиях модификации поверхности материалов.
Известно устройство [патент РФ № 1706329], которое предназначено для генерации импульсного электронного пучка. Конструкция данного устройства включает в себя взрывоэмиссионный катод, пенинговскую ячейку, которая образована кольцевым анодом и сеточными катодами, расположенными по обе стороны от анода, коллектор, вакуумный кожух с вводами и секционированный соленоид, размещенный на кожухе. Магнитное поле, создаваемое соленоидом, используется для зажигания пенинговского разряда и для обеспечения транспортировки электронного пучка (т.е. для предотвращения пинчевания пучка). Анодная плазма, создаваемая пенинговским разрядом, увеличивает первеанс электронного пучка (потока) по сравнению с пучком в вакуумном промежутке, что обеспечивает получение относительно низкоэнергетичного (до десятков кэВ) электронного пучка. Длительность импульса электронного пучка, генерируемого данным устройством, не превышает 1 мкс, а рабочее давление не превышает 0,1 Па, что обусловлено особенностями функционирования взрывоэмиссионного катода и переходом пенинговского разряда из режима тлеющего разряда в дуговой. Превышение этих предельных значений приводит к нестабильности параметров электронного пучка.
Известен форвакуумный импульсный плазменный источник электронов [патент РФ № 107657], который основан на генерации эмиссионной плазмы с помощью импульсного тлеющего разряда с полым катодом, а извлечение и ускорение электронов, формирующих низкоэнергетичный пучок большого радиуса, осуществляется постоянным напряжением (5-15 кВ), прикладываемым к ускоряющему промежутку источника. Данный источник обеспечивает генерацию импульсного электронного пучка с током до десятков ампер и длительностью импульса до 200 мкс в форвакуумном диапазоне давлений 5-10 Па. Однако использование тлеющего разряда с полым катодом в форвакуумном источнике электронов для генерации эмиссионной плазмы приводит к ограничению предельных (максимальных) амплитуды и длительности импульса тока разряда, а, соответственно, предельных тока и длительности импульса электронного пучка, что обусловлено неконтролируемым переходом тлеющего разряда в дуговой разряд с катодным пятном. Такой переход приводит к появлению катодного пятна на поверхности полого катода в произвольном месте, что приводит к шнурованию разряда и локальному повышению плотности эмиссионной плазмы вблизи эмиссионной сетки, стабилизирующей поверхность плазмы, что, в свою очередь, приводит к пробою ускоряющего промежутка, т.е. срыву генерации пучка. Кроме того, для достижения определенного тока и длительности импульса электронного пучка необходима тренировка поверхности полого катода, которая может занимать длительное время (несколько часов).
Наиболее близким аналогом является форвакуумный импульсный источник электронов [Kazakov A.V., Medovnik A.V., Oks E.M., Panchenko N.A. Broad-beam plasma-cathode electron beam source based on a cathodic arc for beam generation over a wide pulse-width range. - Review of Scientific Instruments. - 2020. - V. 91(9). - Art. No. 093304], который основан на генерации эмиссионной плазмы с помощью дугового разряда с катодными пятнами, область функционирования которых искусственно локализована. Конструкция данного форвакуумного источника электронов включает катодный узел, изолятор катодного узла, полый анод, высоковольтный изолятор, который имеет развитую сложную поверхность, ограничивающую развитие пробоя по поверхности диэлектрика и закрывающую эмиссионный электрод от потока обратных ионов, и сеточный ускоряющий электрод (экстрактор). Катодный узел источника состоит из специального токоввода, медного (либо магниевого) цилиндрического катода (диаметр 6 мм), керамического изолятора, который ограничивает рабочую поверхность катода, где функционируют катодные пятна, и поджигающего электрода. Полый анод обеспечивает расширение положительного столба дугового разряда и формирование развитой эмиссионной поверхности, граница которой стабилизируется сеточным эмиссионным электродом. В полом аноде может устанавливаться перераспределяющий электрод с целью увеличения однородности распределения эмиссионной плазмы. Применение дугового разряда с катодными пятнами для генерации эмиссионной плазмы устранило ограничение амплитуды и длительности импульса тока разряда. В совокупности использование дугового разряда и высоковольтного изолятора сложной формы обеспечили генерацию электронного пучка с током до десятков ампер и длительностью импульса до нескольких миллисекунд в диапазоне давлений 3-30 Па. Однако функционирование дугового разряда с катодным пятнами сопровождается формированием паров и потока микрокапель материала катода, при этом сама разрядная плазма содержит ионы материала катода. Эти пары и микрокапли, а также поток ионов материала катода приводят к формированию тонких пленок и локальных загрязнений на поверхности сеточного эмиссионного электрода, а также они могут проникать в ускоряющий промежуток источника и попадать в область транспортировки электронного пучка. В совокупности это приводит к снижению электрической прочности ускоряющего промежутка. Кроме того, нестабильности функционирования катодных пятен могут приводить к нестабильностям параметров электронного пучка.
В плазменном источнике электронов, описанном в [Галанский В.Л., Крейндель Ю.Е., Окс Е.М., Рипп А.Г., Щанин П.М. Эмиссионные свойства анодной плазмы дугового контрагированного разряда низкого давления // Журнал технической физики. - 1987. - Т. 57, № 5. - С. 1518-1521], для устранения негативного влияния функционирования катодных пятен между катодом и анодом разрядной системы установлен промежуточный электрод с узким контрагирующим каналом, который обеспечивает сжатие положительного столба дугового разряда, что экранирует катодную область разряда от области формирования эмиссионной плазмы. В источнике электронов реализован принудительный напуск рабочего газа в катодную область разряда, что необходимо для стабильного инициирования и функционирования дугового разряда, а вследствие перепада давлений, обеспечиваемого каналом контрагирования, в анодной области разряда и ускоряющем промежутке источника давление рабочего газа не превышает 0,1 Па. Конструкция данного плазменного источника электронов не обеспечивает генерацию электронных пучков при давлении рабочего газа более 0,1 Па.
Цель заявляемого технического решения состоит в повышении электрической прочности ускоряющего промежутка плазменного источника электронов, обеспечивающего генерацию импульсного низкоэнергетичного электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений от единиц до десятков Па, а также снижении вероятности попадания паров и микрокапель материала катода в область транспортировки электронного пучка. Поставленная цель достигается тем, что в известном форвакуумном источнике электронного пучка, содержащем цилиндрический катод, заключенный в трубчатый керамический изолятор, поджигающий электрод, полый цилиндрический анод, сеточный эмиссионный электрод, высоковольтный изолятор сложной формы и сеточный ускоряющий электрод, между катодом и полым анодом установлен вспомогательный плоский электрод, имеющий узкий контрагирующий канал, выполненный соосно с катодом и имеющий оптимальные геометрические размеры. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение электрической прочности укоряющего промежутка и существенное снижение попадания паров, микрокапель и ионов материала катода в область ускорения и транспортировки электронного пучка.
ha
Сущность заявляемого технического решения поясняется схемой форвакуумного плазменного источника электронов на основе контрагированного дугового разряда, представленной на фиг. 1. Катодный узел форвакуумного плазменного источника состоит из токоввода 1, цилиндрического медного катода 2 (диаметр 6 мм), который заключен в трубчатый керамический изолятор 3, ограничивающий рабочую поверхность катода, и кольцевого поджигающего электрода 4, который размещается на внешней стороне керамического изолятора так, чтобы торцы кольцевого электрода и катода находились в одной плоскости. Катодный узел монтируется в изоляторе 5 специальной формы, обеспечивающей формирование полости в катодной области. Противоположный катодному узлу торец полого цилиндрического анода 6 (внутренний диаметр 114 мм, высота 150 мм) перекрыт мелкоструктурной эмиссионной сеткой (сеточный эмиссионный электрод) 7, которая электрически отделена от анода изолятором 8, что позволяет, подключая полый анод через сопротивление R, изменять эффективность извлечения электронов из эмиссионной плазмы. Между катодом 2 и полым анодом 6 установлен промежуточный плоский электрод 9, в котором соосно с катодом выполнен узкий контрагирующий канал. Промежуточный электрод электрически изолирован от других электродов с помощью изоляторов 5 и 10. Сеточный эмиссионный электрод 7 и сеточный ускоряющий электрод (экстрактор) 11 формируют ускоряющий промежуток. Электрическое разделение электродов ускоряющего промежутка 7 и 11 осуществляется высоковольтным изолятором 12, имеющим сложную развитую поверхность. За исключением катода, все электроды источника выполнены из нержавеющей стали, а в качестве материалов для изоляторов используются керамика и капролон. Оптимальные размеры контрагирующего канала, обеспечивающие необходимые рабочие параметры (ток разряда до десятков ампер при длительности импульса до единиц миллисекунд) и увеличение электрической прочности, являются следующими: диаметр канала 3-6 мм; а протяженность канала - 2-3 мм. Основное отличие от прототипа заключается в том, что между катодом и анодом установлен промежуточный электрод, в котором выполнен узкий контрагирующий канал, обеспечивающий экранирование катодной области разряда от анодной области, в которой происходит формирование эмиссионной плазмы.
a
Форвакуумный плазменный источник импульсного электронного пучка на основе контрагированного дугового разряда работает следующим образом. Генерация импульсного пучка осуществляется сочетанием постоянного напряжения до 10-12 кВ, подаваемого на ускоряющий промежуток источника, и импульсного функционирования контрагированного дугового разряда, формирующего эмиссионную плазму. Источник монтируется на фланце вакуумной камеры 13, при этом источник функционирует в изобарном режиме, т.е. давление в вакуумной камере и источнике одинаковое, а в катодную область разряда рабочий газ попадает через контрагирующий канал. После установки необходимого рабочего давления (5-30 Па) на ускоряющий промежуток источника с помощью высоковольтного блока 14 подается постоянное ускоряющее напряжение U до 10-12 кВ. С помощью импульсного блока питания разряда 15 между катодом и анодом, а также между катодом и поджигающим электродом подается импульсное напряжение с амплитудой до 1 кВ. После подачи импульса напряжения происходит пробой по поверхности диэлектрика между катодом и поджигающим электродом, что обеспечивает возникновение первичного катодного пятна на поверхности катода и впоследствии инициирование дугового разряда. После инициирования дуги, поскольку ток через поджигающий электрод ограничен сопротивлением, разряд замыкается на анод, а напряжение между катодом и анодом падает до напряжения горения (40-120 В). Катодные пятна обеспечивают формирование разрядной плазмы в катодной области разряда, а также в процессе их функционирования создаются пары и микрокапли материала катода. Разрядная плазма и побочные продукты функционирования катодных пятен распространяются от катода и достигают промежуточного электрода с контрагирующим каналом. Вблизи контрагирующего канала образуется двойной электростатический слой, который ускоряет и фокусирует электроны, поступающие в контрагирующий канал, а также тормозит и отражает ионы со стороны катодной области. Большая часть микрокапель материала катода попадает на поверхность промежуточного электрода и не проникает в полый анод. Пары материала катода частично ионизуются в катодной области, а образовавшиеся ионы отражаются от двойного электростатического слоя, большая часть оставшихся паров материала катода абсорбируется на поверхности промежуточного электрода, обращенной к катодному узлу. Вследствие торможения и отражения ионов, движущихся от катода, двойным электростатическим слоем и потери ионов на стенках контрагирующего канала, а также ухода ионов из канала в катодную область разряда основное формирование эмиссионной плазмы 16 обеспечивается вследствие ионизации рабочего газа в полом аноде ускоренными в двойном электростатическом слое электронами, выходящими из контрагирующего канала. После того как разрядная плазма заполняет полый анод и достигает эмиссионного сеточного электрода, под действием постоянного ускоряющего напряжения происходит извлечение и ускорение электронов, которые формируют электронный пучок 17. Пучок принимается заземленным коллектором 18. Полезным результатом является увеличение электрической прочности ускоряющего промежутка источника, генерирующего импульсный низкоэнергетичный электронный пучок в форвакуумном диапазоне давлений.
Результаты диагностики эмиссионной плазмы с помощью масс-зарядовой спектрометрии и оптической спектрометрии показали, что при генерации эмиссионной плазмы в форвакуумном источнике электронов с помощью контрагированного дугового разряда доля ионов и возбужденных атомов материала катода в плазме не превышает 5%, тогда как при использовании дугового разряда с «открытыми» катодными пятнами доля материала катода может достигать 90-95%. Результаты, представленные в таблице, иллюстрируют положительный эффект использования заявляемого технического решения, а именно увеличение электрической прочности ускоряющего промежутка форвакуумного источника электронного пучка. Электрическая прочность оценивалась по количеству импульсов электронного пучка, генерируемых без пробоя ускоряющего промежутка, на 1000 импульсов, при этом оценка проводилась после предварительной работы источника (после не менее 5000 импульсов разрядного тока).
d
a
d
Таблица. Среднее количество импульсов электронного пучка, генерируемых без пробоя ускоряющего промежутка на 1000 импульсов (I - ток разряда; U - ускоряющее напряжение, τ - длительность импульса, p - давление газа).
Параметры эксперимента
I<sub>d</sub> = 15 A,U<sub>a</sub> = 10 кВ,τ<sub>d</sub> = 1000 мкс,p = 10 Па (Аргон)
I<sub>d</sub> = 25 A,U<sub>a</sub> = 10 кВ,τ<sub>d</sub> = 1000 мкс,p = 10 Па (Аргон)
I<sub>d</sub> = 35 A,U<sub>a</sub> = 10 кВ,τ<sub>d</sub> = 1000 мкс,p = 10 Па (Аргон)
Прототип
623 импульсов
518 импульсов
415 импульсов
Предлагаемое техническое решение
998 импульсов
952 импульсов
873 импульсов