авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Динамика плазменных и ионных пучков в ускорителе на основе импульсного вакуумно-дугового разряда

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Черных Алексей Андреевич

ДИНАМИКА ПЛАЗМЕННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ В УСКОРИТЕЛЕ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Специальность:3 01.04.08 – физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Автор:

Москва - 2010

Работа выполнена в Иркутском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Паперный Виктор Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Окс Ефим Михайлович
кандидат физико-математических наук, Кулевой Тимур Вячеславович
Ведущая организация: Физический Институт им. П.Н.Лебедева РАН

Защита диссертации состоится 17 мая 2010 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 при НИЯУ МИФИ

Адрес: 115409 Москва, Каширское ш., 31, корпус 33, ауд. 103

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ

Автореферат разослан « » апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.130.05, доктор физико-математических наук И.В. Евсеев

Актуальность темы. Вакуумно-дуговые источники потоков металлической плазмы уже свыше 30 лет являются предметом обширных исследований, что обусловлено как фундаментальным характером процесса образования и ускорения плазмы в таких системах, так и их многочисленными технологическим применениями. Важной характеристикой плазменного потока в вакуумной дуге является энергетический спектр ионной компоненты, определяющий, в частности, реакционные характеристики металлической плазмы при синтезе композитных покрытий; структуру пленок, формируемых на поверхности подложки из углеродной плазмы и т.д. Хорошее соответствие разработанных моделей экспериментальным данным получено для процессов образования и ускорения ионов в стационарных вакуумно-дуговых разрядах. Однако в последнее время все более широкое применение находят импульсные вакуумно-дуговые источники плазменных потоков, для которых картина формирования пучков ускоренных ионов материала катода еще далека от завершения. В частности, важным вопросом, требующим дополнительного исследования, является наблюдаемое в экспериментах изменение в течение импульса зарядового состава и энергетического спектра ионной компоненты.

Одной из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся областей применения импульсных вакуумно-дуговых разрядов является создание на их основе технологических источников ускоренных пучков ионов металлов. Такие источники отличает простота конструкции, надежность, высокая интенсивность и большая апертура выходного ионного пучка, широкие функциональные возможности. Кроме того, сравнение различных типов источников ионных пучков, применяемых для модификации материалов, показывает, что энергетические затраты в источниках на основе дуговых разрядов ниже по сравнению, например, с лазерными источниками. Именно высокая эффективность источников на основе дугового разряда обуславливает их преимущественное применение для технологий. Вместе с тем, особенности процесса сепарации и ускорения ионной компоненты с помощью сеточной системы в сильноточных импульсных ионных источниках изучены недостаточно.



В связи с вышеизложенным, представляется актуальным экспериментальное исследование особенностей процессов ускорения ионов как в нейтрализованной катодной струе так и в сепарированном ионной пучке обусловленных нестационарным характером импульсного вакуумно-дугового разряда.

Цель работы: установить основные характеристики процесса ускорения ионов в импульсном вакуумно-дуговом разряде. В частности, предполагается выяснить:

  1. Динамику макроскопических параметров (концентрации, электронной температуры, потенциала) плазменного потока, а также ионных энергетических спектров на разных стадиях разряда и для различных материалов катода;
  2. Особенности энергетических спектров ионных пучков, сепарированных из импульсного плазменного потока на различных стадиях разряда.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые

  • В импульсном вакуумно-дуговом разряде установлен временной ход в течение импульса основных макроскопических характеристик плазменного потока: температуры электронов, потенциала и концентрации плазмы;
  • Получены энергетические спектры ионов катодного плазменного потока на разных стадиях импульсного разряда для набора материалов катода с различными электрофизическим свойствами;
  • Найдена угловая зависимость формы энергетических спектров ионов и показаны существенные различия вида спектров и углового распределения макроскопических параметров ионной компоненты (средней энергии и концентрации ионов) на различных стадиях разряда;
  • Выполнены прямые измерения энергетических спектров ионного пучка, сепарированного системой сеток из плазмы импульсного вакуумно-дугового разряда, и установлены особенности формы спектров на разных стадиях разряда, при разных значениях ускоряющего напряжения и амплитуды разрядного тока;
  • На основе сопоставления полученных экспериментальных данных с результатами модельных расчетов предложен механизм, с помощью которого наблюдаемые эффекты можно объяснить действием объемного заряда сепарированного ионного пучка.

На защиту выносятся следующие научные положения:

  1. В начальной, переходной, стадии импульсного вакуумно-дугового разряда энергетические спектры ионов катодной струи имеют аналогичную форму для материалов катода с различными электро- и теплофизическим свойствами и характеризуются сравнительно высокими значениями наиболее вероятной энергии , а также значительными «хвостами» ускоренных ионов с энергиями до нескольких сотен электрон-вольт. На более поздней, квазистационарной, стадии величина уменьшается и заметно отличается для разных материалов катода. Сопоставление энергетических ионных спектров с данными зондовых измерений, показало, что наблюдаемые эффекты можно объяснить возникновением в начальной стадии разряда дополнительного (помимо первичного ускорения ионов в катодной микроструе) ускорительного механизма. Этот механизм может быть связан с повышенной плотностью плазмы в основании катодной макроструи, вследствие ее локализации вблизи инициирующего электрода в начальной стадии разряда. В результате расплывания основания макроструи из-за хаотического движения микропятен по поверхности катода на последующей, квазистационарной, стадии разряда плотность плазмы падает, и механизм дополнительного ускорения выключается.
  2. Направленная энергия ионов, сепарированных системой сеток из импульсного вакуумно-дугового разряда, при ускоряющем напряжении в диапазоне нескольких киловольт оказывается заметно ниже «электростатического» значения , с увеличением энергия приближается к этому значению; при этом ширина энергетического спектра оказывается существенно больше ширины исходного спектра. Механизм формирования энергетического спектра импульсного ионного пучка, может быть обусловлен действием нестационарного электрического поля объёмного заряда пучка, формирующегося при входе в дрейфовый промежуток.

Личный вклад автора заключается в подготовке экспериментального оборудования и методов диагностики, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов исследования, участии в обсуждении и формулировке основных выводов. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что

  1. Полученные данные о динамике энергетических спектров ионов в импульсном вакуумно-дуговом разряде полезны при использовании подобных систем в технологиях, чувствительных к энергии ионной компоненты (плазмохимический синтез металлосодержащих соединений и др.);
  2. Результаты проведенных исследований указывают на существенную роль нестационарных процессов микросекундного масштаба длительности в ускорении ионов для систем на основе импульсного вакуумного разряда, и тем самым вносят вклад в общую картину ускорительных механизмов в плазме таких разрядов.
  3. Наблюдаемую в работе структуру спектров ионного пучка, сепарированного из плазмы с помощью сеточной системы, необходимо учитывать при определении требуемых значений дозы и параметров профиля имплантированных ионов в случае применения импульсных сильноточных ионных источниках в диапазоне относительно малых энергий.

Достоверность и обоснованность

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных методик, сопоставлением и удовлетворительным совпадением результатов экспериментов с результатами теоретического анализа и численного моделирования, а также сравнением полученных результатов с результатами других исследователей.

Апробация работы

Результаты, представленные в диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Российских конференциях, симпозиумах и научных семинарах: семинары кафедры общей и космической физики Иркутского государственного университета (ИГУ, Иркутск); V Российский семинар по диагностике плазмы (МИФИ, 2006); Международная конференция по ионным источникам (Jejudo, Корея, 2007); Конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2008); Международный симпозиум по сильноточной электронике (Томск, 2008); Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Бухарест, 2008).

Результаты исследований изложены в 5 статьях, опубликованных в центральных и зарубежных журналах, и 8 докладах международных и российских симпозиумов и конференций. Список основных публикаций приведён в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения с общим объёмом 124 страниц, содержит 51 рисунка и 1 таблицу. Список цитируемой литературы включает 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обосновывается актуальность, цель, научная новизна и практическая ценность работы. Ставятся две цели исследования, в соответствии с которыми содержание работы можно разделить на две части. Излагается краткое содержание диссертации и формулируются выносимые на защиту научные положения.

В первой главе на основании анализа литературных данных рассматривается современное состояние исследований импульсных вакуумно-дуговых источников ускоренных ионов.

Вакуумно-дуговые разряды в течение ряда лет широко используется как непосредственно для технологических приложений, так и в качестве источников пучков металлических ионов для ускорителей различного назначения, например, в задачах ионной имплантации. Перспективным представляется применение здесь ускорителей на основе сильноточных импульсных вакуумно-дуговых разрядов. По сравнению со стационарными системами импульсные ускорители имеют меньшие габариты, энергопотребление, небольшую стоимость, обеспечивают высокую плотность среднего ионного тока (до 100 мкА/см2) при относительно небольших значениях ускоряющего напряжения, что обусловлено высокой зарядностью генерируемых в дуговом разряде металлических ионов. Однако, поскольку амплитудные значения плотности тока в сепарированном импульсном ионном пучке более чем на три порядка превышают значения в стационарных источниках, возникает вопрос о влиянии объемного заряда ионов пучка на его параметры (энергию и интенсивность) при транспортировке в дрейфовом промежутке. Этот вопрос важен, например, при создании с помощью импульсных ионных имплантеров наноразмерных слоев металлических кластеров в диэлектрических матрицах, используемых для оптических приложений, поскольку параметры кластерных слоев (глубина слоя, размеры кластеров, их распределение по глубине) весьма чувствительны к энергии ионов и интенсивности пучка.





Согласно современным представлениям, плазма вакуумно-дугового разряда возникает в катодных микроструях, для которых характерны высокая плотность тока, удельная мощность и плотность плазмы. Благодаря этим параметрам в плазме микроструи рождаются высокозарядные ионы () материала эродирующего катода, и происходит ускорение ионов до высоких скоростей. Направленная энергия ионов для большинства материалов лежит в пределах от 20 до 150 эВ [1]. Как правило, при исследовании энергетических характеристик ионного потока находят среднюю или наиболее вероятную энергию с помощью различных модификаций времяпролётной методики [2]. В ряде работ показано, что энергия ионов практически не зависит от их заряда. Однако, более детальные измерения распределения ионов по энергиям с помощью электростатического анализатора дают противоречивые результаты. Результаты некоторых исследований [3] подтверждают упомянутую выше независимость энергии ионов от заряда, в то время, как в других работах [4-6] было показано, что для некоторых материалов энергия ионов растёт вместе с их зарядом.

Другим ”загадочным” эффектом в импульсной вакуумной дуге является повышенные заряд и скорость ионов в начале разряда. Эти параметры уменьшаются в течении импульса дуги до некоторых квазистационарных значений, которых они достигают через несколько десятков микросекунд после начала разряда [7]. Заметим, что если процесс уменьшения заряда ионов в течение импульса достаточно детально исследовался в ряде работ для широкого набора материалов катода, то сведения о систематических исследованиях динамики энергетического спектра ионов в импульсной вакуумной дуге в литературе отсутствуют.

Согласно современным представлениям, ускорение ионов происходит в плазме катодных микроструй вследствие увлечения ионов электронным газом при его расширении в вакуум. Результаты этой модели были подтверждены в экспериментах с импульсной вакуумной дугой для большого количества материалов катода. Можно полагать, что газодинамическая модель, хорошо объясняет особенности рождения ионов и их первичного ускорение в катодных микроструях в установившейся стадии импульсной дуги. Однако, эта модель не может объяснить повышенную скорость ионов в начале импульса, а также рост направленной энергии с увеличением заряда, которые наблюдались в ряде экспериментов. Поэтому, для объяснения механизма ускорения ионов в импульсном вакуумно-дуговом разряде необходимы дополнительные исследования.

Во второй главе рассмотрены конструктивные особенности и принципы функционирования экспериментального и диагностического оборудования, использовавшегося для исследований параметров плазмы импульсной вакуумной дуги. Подробно описаны методики измерения, и проведена калибровка описываемого оборудования.

Экспериментальная система состояла из системы вакуумной откачки, рабочего объёма, импульсного вакуумно-дугового источника плазмы и диагностического оборудования. Источником плазмы служила установка ионной имплантации “MEVVA5.Ru”, предназначенная для облучения подложки пучком ускоренных ионов с целью изменения ее поверхностных свойств. Схема эксперимента представлена на рисунке 1.

Исследованы характеристики вакуумного разряда. Для измерения электротехнических параметров разряда и ионного пучка использовались традиционные устройства: пояс Роговского и высокоомные делители напряжения. Выяснено, что формирующая линия поддерживает постоянное напряжение разряда в течение всего импульса разрядного тока.

С помощью плоского ленгмюровского оценивались концентрация и электронная температура плазмы катодной струи. Подвижный зонд диаметром был ориентирован перпендикулярно к оси разряда и располагался в дрейфовой камере на расстоянии от катода. Рассмотрены особенности работы ленгмюровского зонда, в сверхзвуковом потоке плазмы катодной струи. Исследование плазменного потенциала проводились с помощью эмиссионного зонда. Зонд располагался напротив катода на расстоянии .

 По вольт-амперным характеристикам (ВАХ)-11

По вольт-амперным характеристикам (ВАХ) зонда были оценены типичные значения концентрации ионов и электронов и на расстоянии порядка 40см от катода. Выполнение условия квазинейтральности , в данном случае говорит об удовлетворительной точность измерений, а также подтверждает достоверность применения такой методики в целом.

Применение зондов в сепарированных ионных потоках имеет ряд особенностей. В присутствии ускоряющего электрического поля плазма в дрейфовом промежутке перестаёт быть квазинейтральной. Кроме того, в дрейфовом промежутке могут появиться вторичные электроны, возникшие из сеточной системы экстракции, а также, при взаимодействии ионного пучка с остаточным газом и с поверхностью зонда. Вид ВАХ зонда в таком пучке может существенно отличаться от аналогичной характеристики для нейтрализованной плазмы катодной струи. Наконец, некомпенсированный заряд ионного пучка может привести к появлению высоких значений плазменного потенциала.

Энергетический спектр ионной компоненты катодной струи измерялся с помощью электростатического анализатора типа

“плоское зеркало”. Из-за того, что такой энергоанализатор не разделял ионы по зарядам, под спектром понимается распределение ионов по энергии, отнесённой к среднему заряду, . В главе описаны его устройство и основные характеристики.

Особое внимание уделено калибровке энергоанализатора и детектора частиц. На основе термоэлектронной пушки разработана схема калибровки, оценены разрешающая способность анализатора и его геометрический фактор. Полученные оценки практически совпадают с расчетными. Определен динамический диапазон линейности выходной характеристики ионного детектора: микроканальной пластины, и описаны ограничения её работы, связанные с эффектами насыщения.

В третьей главе представлены результаты исследований динамики параметров катодной струи импульсного вакуумно-дугового разряда.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.