ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. В.Н. КАРАЗІНА

ПЕТРУШЕНЯ Андрій Адамович

УДК 533.9; .525;

537.533; 621.3.032.269.1

СТВОРЕННЯ ТА ДИНАМІКА НЕГАТИВНО

ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК У ПЛАЗМОВИХ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ УЛОВЛЮВАЧАХ

01.04.08 – фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико - математичних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики плазми Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник              кандидат фізико  математичних наук, доцент

Бориско Володимир Миколаєвич, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри фізики плазми.

Офіційні опоненти:              доктор фізико  математичних наук, професор

П’ятак Олександр Іванович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідуючий кафедри фізики;

кандидат фізико  математичних наук, старший науковий співробітник Гаркуша Ігор Євгенійович, Інститут фізики плазми ННЦ ХФТІ  НАН  України, начальник лабораторії плазмових прискорювачів відділу плазмодинаміки.

Провідна установа:       Інститут фізики НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться "    " листопада  р. о   00   годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. .051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна, за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова 31, аудиторія №301.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, площа Свободи, .

Автореферат розісланий "    "  жовтня   2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради         Письменецький С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом у різних вакуумно-плазмових та електронно-променевих технологіях, а також у фундаментальних і прикладних дослідженнях широке застосування дістали джерела заряджених частинок на основі газових розрядів низького тиску. Такі джерела є одним з найбільш важливих практичних застосувань фізики плазми. Одним з основних елементів у їхній конструкції є відкриті електромагнітні уловлювачі (EМУ), що дають змогу не тільки ефективно здійснювати іонізацію робочого газу і генерувати газорозрядну плазму, але й формувати пучки заряджених частинок з необхідними параметрами. Предметом досліджень даної дисертаційної роботи є газорозрядні системи на основі відкритих ЕМУ, що використовуються в плазмових джерелах електронів та негативних іонів. До пристроїв даного типу належать плазмові системи на основі пастки Пеннінга та уловлювачів з гострокутною магнітною геометрією. У таких уловлювачах втрати електронів вздовж силових ліній магнітного поля зменшуються потенційними бар'єрами, які створюються за допомогою системи відбивних електродів, а електронний компонент розрядного струму формується за рахунок дифузії електронів поперек магнітного поля.

У більшості плазмових джерел заряджених частинок заряджені частинки відбираються зовнішнім електричним полем з поверхні газорозрядної плазми в прискорювальний проміжок. Розташування та емісійні властивості плазмової поверхні залежать від ряду параметрів, таких, як щільність і температура компонентів плазми, величина прискорювальної напруги, тиск робочого газу в прискорювальному проміжку. Найбільш істотно на параметри пучків заряджених частинок, що витягуються, впливають різноманітні фізичні процеси, які протікають у газорозрядній плазмі таких джерел. Коливальні процеси в плазмі викликають коливання температури і щільності плазми, а також розташування та форми плазмової границі. Іонізаційні процеси в області прискорення і транспортування заряджених частинок призводять до зміни емісійних властивостей плазми та первеансу пучків заряджених частинок, що витягуються. Вони також впливають на розташування і форму плазмової поверхні в системі, яка витягує заряджені частинки. З цих причин вивчення фізичних процесів, що протікають у плазмових системах на основі відкритих EМУ, викликає значний інтерес, насамперед із практичної точки зору, тому що створює наукову основу для подальшого удосконалювання існуючих, а також для створення нових типів джерел заряджених частинок. Ці дослідження також є актуальними і для розвитку сучасних уявлень про фізику газового розряду.

Останнім часом досягнуто значних успіхів у вивченні фізичних процесів, що протікають у плазмових джерелах електронів на основі пастки Пеннінга з невеликими емісійними отворами й у двокамерних об'ємних джерелах негативних іонів. Найбільш повно досліджені конструктивні особливості й експлуатаційні характеристики цих джерел, а також стаціонарні параметри плазми і їх вплив на формування пучків заряджених частинок. Однак деякі важливі питання все ще вимагають додаткового вивчення.

Недостатньо вивчено динаміку електронів з аномально великою енергією в пеннінгівському розряді. Проведені дослідження в цій області мають несистематичний характер, що ускладнює порівняння й аналіз отриманих результатів. Дотепер не існує задовільного пояснення механізму фізичних процесів, які відповідають за викид "аномальних" електронів з таких систем. Крім того, ці дослідження все ще не отримали свого продовження в напрямку їх практичного застосування.

Існує необхідність вирішення ряду наукових питань, які належать до вивчення фізичних процесів, що відповідають за ефективність витягу електронів із плазмових джерел на основі відбивного розряду з порожнистим катодом при відносно невисоких напругах, що витягають електрони, в умовах форвакуумного тиску робочого газу, інтенсивного іонного бомбардування електродів та хімічно агресивного газового середовища. У таких умовах існуючі системи керування параметрами електронних пучків, засновані на зміні розрядного струму і величини напруги, що прискорює електрони, стають неефективними, тому що призводять до зміни робочих режимів джерела та викликають зниження електричної міцності високовольтних проміжків.

Недостатньо вивчена можливість створення ефективного плазмового джерела негативних іонів на основі електромагнітного уловлювача з гострокутною магнітною геометрією. В даний час вивчені лише фізичні моделі таких джерел, які далекі від досконалості і не можуть бути використані в практичних пристроях, тому що мають не досить високу струмову та енергетичну ефективність. Крім того, у цих моделях використовуються розжарювані конструкційні елементи, що значно знижує ресурс роботи джерела і не дає змогу їм працювати з хімічно активними робочими газами. Недостатньо досліджена можливість роботи таких джерел за великої густини струму первинного пучка електронів, а також можливість створення в них плазми з низькою електронною температурою за рахунок використання плазмового емітера електронів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Обраний напрямок досліджень дисертаційної роботи зв'язано з виконанням фундаментальних науково-дослідних робіт, що проводяться на кафедрі фізики плазми Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за темою “Фундаментальні дослідження плазмово-пучкових систем з метою розробки на їх основі нових наукоємних технологій”, реєстраційний номер №0100U003293 (2000–2002 рр.), яка належить до координаційного плану “Фізика ядерних процесів та ядерно-фізичні методи в енергетиці, радіаційних технологіях і екології” і при виконанні якої дисертант був виконавцем.

Мета та задачі досліджень. Метою дослідження є створення ефективних плазмових джерел електронів та негативних іонів на основі пастки Пеннінга й однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача з плазмовим джерелом електронів. Конкретними задачами досліджень є: (1) визначення впливу різних зовнішніх, в тому числі і геометричних параметрів пеннінгівського розряду, параметрів плазми та коливальних процесів у плазмі на динаміку електронів з аномально великою енергією, а також пошук ефективного методу керування параметрами пучків електронів, що ежектуються; (2) визначення впливу масового числа робочого газу, а також електричної несиметрії між катодами на формування потоків електронів з відбивного розряду з порожнистим катодом у діапазоні робочих тисків Р –4 – –2 Тор, при напругах U <  В, що витягають електрони; (3) з'ясування можливості генерації негативних іонів в однощілинному гострокутному електромагнітному уловлювачі з плазмовим джерелом електронів.

Об'єкт дослідження – фізичні процеси генерації негативних іонів в однощілинному гострокутному електромагнітному уловлювачі з плазмовим джерелом електронів, формування потоків електронів з електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом та викиду електронів з аномально великою енергією з плазмових систем на основі пастки Пеннінга.

Предмет дослідження – параметри плазми, амплітудні та частотні характеристики коливань у плазмі й електронному пучку, розрядні характеристики плазмових систем, параметри пучків електронів та негативних іонів.

Методи дослідження. Основними методами досліджень параметрів плазми та пучків заряджених частинок були експериментальні зондові методики. Як зонди використовувалися пересувні одиночні та подвійні ленгмюрівські циліндричні зонди, термозонди, циліндри Фарадея, плоскі колектори заряджених частинок і багатосіткові електростатичні енергоаналізатори, що містилися усередині та поза об’ємом плазмових електромагнітних уловлювачів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше експериментально встановлені особливості еволюції в аксіальному напрямку поздовжніх енергетичних спектрів електронних пучків, які ежектуються з плазмових систем на основі пастки Пеннінга.

2. Запропоновано та вивчено новий спосіб керування струмом електронного пучка, що ежектується з плазми пеннінгівського розряду за рахунок зміни різниці потенціалів між катодами.

3. Експериментально встановлені особливості розрядних та емісійних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші у діапазоні тисків робочих газів Р –4 – 10–2 Тор при напругах U <  В, що витягають електрони.

4. Експериментально доказано можливість створення ефективного плазмового джерела негативних іонів на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача і плазмового джерела електронів з порожнистим катодом. Визначено оптимальний тиск робочих газів, емісійні характеристики, а також струмову й енергетичну ефективність джерела.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані в дисертаційній роботі результати мають наукове значення для подальшого розвитку сучасних уявлень про фізичні процеси в газовому розряді, що протікають у плазмі, яка перебуває в схрещених електричному і магнітному полях. Практична цінність отриманих у дисертаційній роботі результатів полягає в можливості використання їх для оптимізації параметрів існуючих і розробки нових більш ефективних плазмових джерел електронів і негативних іонів на базі відкритих електромагнітних уловлювачів.

Результати досліджень динаміки електронів з аномально великою енергією в пеннінгівському розряді можуть бути використані для створення ефективного широкоапертурного джерела електронів. Завдяки можливості генерувати електронні пучки без використання електродів, що витягають електрони, подібні джерела можуть бути використані в модельних експериментах з метою створення, накопичення й утримання некомпенсованої плазми в замкнутих тороїдальних магнітних системах.

Результати досліджень впливу електричної несиметрії між катодами на параметри плазми й електронного пучка, який ежектується з пеннінгівського розряду, необхідні для створення ефективних систем керування струмом електронного пучка в плазмових джерелах електронів даного типу.

Результати досліджень формування потоків електронів з електричного несиметричного відбивного розряду з порожнім катодом можуть бути використані для підвищення струмової й енергетичної ефективності існуючих технологічних джерел електронів даного типу, а також для створення на їхній основі плазмових емітерів електронів для об'ємних джерел негативних іонів.

Результати досліджень генерації негативних іонів в однощілинному гострокутному електромагнітному уловлювачі з плазмовим джерелом електронів можуть бути використані для створення нових ефективних однокамерних об'ємних джерел негативних іонів без розжарюваних конструкційних елементів, що дає змогу одержувати в таких джерелах негативні іони хімічно активних робочих газів для модифікації й обробки поверхонь у мікроелектронній промисловості.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів обумовлена використанням добре вивчених і апробованих експериментальних методик і діагностичного устаткування. Зроблені висновки і проведені оцінки погоджуються з теоретичними й експериментальними результатами, що отримані раніше іншими авторами. Всі отримані результати також відповідають загальним положенням сучасної фізики плазми, фізики пучків заряджених частинок, теоретичної фізики та пройшли апробацію на наукових конференціях.

Особистий внесок здобувача полягав у практичній реалізації експериментальної роботи, на основі якої написана дисертація. Автор безпосередньо проводив виміри й обробку отриманих даних, брав участь у розробці, виготовленні та налагодженні експериментальної установки, систем розрядних електродів і діагностичних пристроїв.

Усі наукові публікації дисертанта, що включають результати дисертаційної роботи, здійснені їм у співавторстві. Здобувач брав безпосередню участь в аналізі й узагальненні отриманих результатів, а також у написанні й оформленні всіх статей та доповідей, що лягли в основу дисертації.

У роботі] здобувач експериментально досліджував вплив зовнішніх параметрів пеннінгівського розряду на характеристики електронних пучків, що ежектуються в аксіальному напрямку. Здобувачем показано, що радіальний профіль густини електронного струму й енергія електронного пучка мають сильну залежність від напруженості магнітного поля й анодної напруги.

У роботі] здобувач експериментально досліджував потоки заряджених частинок, які ежектуються з електрично-несиметричного пеннінгівського розряду. Здобувачем показано, що змінючи різницю потенціалів між катодами, можна ефективно керувати ступенем компенсації іонного пучка, що ежектується з розряду.

У роботі] здобувач експериментально досліджував режими генерації електронних пучків з пеннінгівського розряду з різною геометрією розрядних електродів. Здобувачем визначено особливості даних режимів і локалізацію області викиду електронів.

У роботі] здобувач провів експериментальні дослідження роботи плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом. Здобувачем визначено вплив електричної несиметрії між катодами джерела на розрядні та емісійні характеристики джерела електронів даного типу при використанні різних робочих газів.

У роботі [5] здобувачем експериментально досліджені особливості ініціювання режиму горіння пеннінгівського розряду з порожнистим катодом для робочих газів з різними масовими числами. Здобувач визначив, що застування як робочого газу суміші аргону та водню дає змогу істотно розширити діапазон робочих параметрів джерела електронів даного типу порівняно з використанням однокомпонентних робочих газів.

У роботі] здобувач провів експериментальні дослідження параметрів об'ємного джерела негативних іонів на базі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом. Здобувачем визначено емісійні характеристики джерела.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли в дисертаційну роботу, доповідалися на конференціях:

1. Науково-технічна конференція "Техніка і фізика електронних систем і пристроїв" (м. Суми, 1995 р.).

2. 23rd IEEE International Conference on Plasma Science (Boston, USA, 1996).

3. Українська конференція і школа по фізиці плазми і керованому синтезу (м. Алушта, 2000 р.).

4.  Міжнародний симпозіум "Вакуумні технології й устаткування ISVTE - " (м. Харків, 2001 р.).

5. Міжнародна конференція і школа по фізиці плазми і керованому синтезу (м. Алушта, 2002 р.).

6. 10 Міжнародна конференція по іонним джерелам ICIS 2003 (м. Дубна, Росія, 2003 г.) (доповідь представлялась дисертантом).

Публікації. В основу дисертації покладено 6 наукових праць, які опубліковані в наукових журналах [1 – 6].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків і списку літератури. Повний обсяг дисертації складає 121 сторінку і 37 рисунків, які розміщені на цих сторінках. Список використаних джерел літератури налічує 153 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі доведено актуальність проблеми, викладено мету роботи, формулюються основні питання, що є предметом досліджень, відзначається зв'язок роботи з тематикою досліджень, проведених на кафедрі фізики плазми ХНУ, наведено основні положення, які виносяться на захист, показано наукову новизну отриманих результатів і їх практичне значення.

У першому розділі міститься короткий огляд попередніх робіт інших дослідників, що мають відношення до вивчення фізичних процесів у плазмових джерелах електронів на основі пастки Пеннінга й об'ємних джерелах негативних іонів, а також поставлено задачі досліджень.

У другому розділі подано опис створеної експериментальної установки, систем розрядних електродів, методик вимірів і умов проведення експериментів.

В п.2.1 описані конструкції та параметри експериментальних установок. В експериментах застосовувалися пеннінгівська система розрядних електродів з холодними катодами, пеннінгівська система розрядних електродів з порожнім катодом і система електродів об'ємного джерела негативних іонів.

У пеннінгівській системі розрядних електродів з холодними катодами використовувалися дві конфігурації електродів (рис.1). Перша конфігурація (рис.1а) складалася з циліндричного анода 3, плоского катода 1 і циліндричного катода . У другій конфігурації (рис.1б) всі електроди були циліндричними. В експериментах застосовувалися системи електродів діаметрами 18, 30 і 80 мм. Міжелектродні відстані катод - анод і довжини циліндричних катодів дорівнювали радіусу, а довжина анода – його діаметру. На анод подавався позитивний потенціал. Різниця потенціалів між катодами 1 і 2 змінювалася в діапазоні U –500 – В. Системи електродів містилися в однорідному аксіальному зовнішньому магнітному полі напруженістю, що змінювалась у діапазоні Н  –  Е. Дослідження проводилися в стаціонарному режимі горіння розряду при тиску робочого газу (аргон, водень, повітря) Р,01 – )10–3ор, анодній напрузі Ua = ,5 – ,5 кВ, розрядних струмах Iр ,1 –  мА. Параметри плазми в розряді складали: густина плазми – no ,01 – )1010 см–3, температура електронів – Ті   –  еВ.

Пеннінгівська система розрядних електродів з порожнистим катодом (рис.2) складалася з порожнистого неохолоджуваного графітового катода , відбивного графітового катода , циліндричного анода , електрода 4, що витягає електрони, та колектора електронів . Зовнішній діаметр усіх електродів складав d =  мм. Міжелектродні відстані катод - анод дорівнювали радіусу, а довжина анода – його діаметру. В експериментах використовувалися порожнисті катоди з діаметрами катодної порожнини 3, 4,7, 7 мм. Електронний пучок витягався в аксіальному напрямку з боку катода 2 через емісійний отвір діаметром 3,5 мм. Потенціал електрода 4, що витягає електрони, змінювався в діапазонівит  – В, а різниця потенціалів між катодами 1 і 2 – U  – –600 В. Для зменшення вторинної електронної емісії потенціал колектора 5 установлювався на 40 В вище потенціалу електрода . Система розрядних електродів перебувала в однорідному аксіальному зовнішньому магнітному полі напруженістю Н  Е. Дослідження проводились у стаціонарному режимі горіння розряду при тиску робочого газу (аргон, особливо чистий водень, суміш аргону та водню (30 – і 50 –  Н2)) Р,01 – )10–2 Тор, анодній напрузі Ua = ,1 –  кВ та розрядних струмах Iа = ,01 – ,9 А. Робочі гази напускалися в розряд через порожнину катода . Напуск робочих газів змінювався в діапазоні: особливо чистий водень – vН2 ,1 – ,1 Атмсм3c–1, аргон – vAr ,1 – ,5 Атмсм3c–1. Особливо чистий водень надходив з металогідридної системи напуску. Параметри плазми в області емісійного отвору катода складали: щільність плазми – nо  11 см–3, температура електронів – Те   – 4 еВ.

Система електродів об'ємного джерела негативних іонів складалася з пеннінгівського джерела електронів з порожнистим катодом і однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача (рис.3). Робоча камера уловлювача служила одночасно витяжним електродом джерела електронів. Магнітна конфігурація уловлювача створювалася усередині робочої камери зустрічним включенням котушок магнітного поля. Електронний пучок інжектувався в уловлювач із джерела електронів уздовж силових ліній магнітного поля. Для ефективного захоплення електронів в уловлювач радіус області, що емітує електрони, містився в межах зони ефективного утримання

Рис.1. Схема пеніннгівської системи розрядних електродів з холодними катодами.

а) конфігурація електродів з плоским катодом; б) конфігурація електродів з циліндричними катодами; 1, – відбивні катоди; 3 – анод; 4 – багатосітковий електростатичний енергоаналізатор.

Рис.2. Схема пеннінгівської системи розрядних електродів з порожнистим катодом.

1 – порожнистий катод, 2 – відбивний катод, 3 – анод, 4 – електрод, що витягає електрони, 5 – колектор електронів.

Рис.3. Система електродів об'ємного джерела негативних іонів.

електронів. Потенціал, що витягає електрони UРК  –  В, подавався на робочу камеру уловлювача. Для зменшення втрат низькоенергетичних електронів з уловлювача в області магнітної щілини розташовувався циліндричний запірний електрод, на який подавалася негативна напруга U  – –100 В щодо потенціалу робочої камери. Негативні іони витягалися з джерела перпендикулярно силовим лініям магнітного поля через боковий отвір у робочій камері і реєструвалися аналізатором негативних іонів. Супутні електрони в пучку негативних іонів відхилялися поперечним магнітним полем H  Е й збиралися на внутрішній поверхні графітової вставки аналізатора. Супутній електронний струм, що досягав колектора негативних іонів, визначався за допомогою робочого газу аргону, який не утворює негативних іонів, і складав декілька мікроампер. Потенціал Uвит0 – В, що витягає негативні іони, подавався на вхідну сітку аналізатора. Дослідження проводилися при тиску робочого газу (аргон, суміш аргону та водню (30 – і 50 –  Н2), суміш аргону з SF6 (20 – 6 і 60  Р,01 – )10–2 Тор і струмах електронного пучка Iп ,01 – ,35 А. Аргон і особливо чистий водень напускалися в уловлювач через катодну порожнину пеннінгівського джерела електронів, а SF6 надходив у робочу камеру через систему напуску.

В п.2.2 описані основні методики досліджень. Усереднені в часі параметри плазми визначалися стандартною методикою одиночного ленгмюрівського зонда. Для більш точного визначення потенціалу плазми використовувався метод термозонда. Реєстрація коливань у плазмі здійснювалася шляхом осцилографування сигналів, що надходили з коаксіальних високочастотних плаваючих зондів. Просторово  фазові характеристики коливань визначалися за допомогою рознесених у просторі зондів. Аналіз амплітудно частотного спектра коливань здійснювався панорамними аналізаторами спектру в спектральному діапазоні (0,0001 – ) МГц. Для оцінки абсолютних значень амплітуд коливань потенціалу плазми використовувався метод високочастотного зонда. Просторовий розподіл потоків заряджених частинок та їх усереднені у часі енергетичні спектри досліджувалися за допомогою пересувних багатосіткових електростатичних енергоаналізаторів. Аналіз енергетичних спектрів проводився методом затримувального потенціалу.

Розділ третій присвячується експериментальному дослідженню динаміки електронів з аномально великою енергією в плазмових системах на основі пастки Пеннінга.

У п.3.1 описані особливості розрядних характеристик пеннінгівського розряду при перебудові розряду в режим з ежекцією електронних пучків в аксіальному напрямку у випадках використання різних геометрій розрядних електродів, а також при електрично-симетричному та електрично-несиметричному включеннях розрядних електродів. Визначено, що характер перебудови розряду в даний режим при збільшенні величини зовнішнього магнітного поля та анодної наруги залежить від поперечних розмірів розрядних електродів. Показано, що при використанні замість аргону або повітря більш легкого робочого газу водню, при зменшенні діаметра розрядних електродів c 80 до 18 мм, зміні геометрії відбивного катода з циліндричної на плоску, а також при негативному зсуві потенціалу катода діапазони зовнішніх параметрів розряду, при яких спостерігається ежекція електронних пучків в аксіальному напрямку, поширюються в область більш високих тисків робочого газу й анодних напруг.

У п.3.2 досліджені особливості в радіальному розподілі локальних параметрів плазми в пеннінгівському розряді та електронного пучка, що ежектується з розряду, які необхідні для аналізу процесу викиду електронів з аномально великою енергією. Показано, що при негативному зсуві потенціалу катода в розряді спостерігається зниження плазмового потенціалу в області ежекції електронного пучка та підвищенні щільності струму пучка електронів у протилежному від катода напрямку. З’ясовано, що при збільшенні глибини аксіальної потенціальної ями в області ежекції електронного пучка вихід електронів з аномально великою енергією з розряду припиняється. У цьому випадку щільність плазми в області ежекції електронного пучка перевищує її значення на осі системи.

П. .3 присвячено дослідженню особливостей еволюції повздовжніх енергетичних спектрів електронних пучків, що ежектується з плазми пеннінгівського розряду в аксіальному напрямку. На підставі аналізу енергетичних спектрів встановлено, що викид електронів з аномально великою енергією з розряду супроводжується провисанням просторового потенціалу нижче потенціалу катодів в області за відбивними електродами. В енергетичних спектрах електронного пучка спостерігаються групи електронів з різними енергіями. Дві групи утворюють електрони, що ежектуються з плазми розряду. Енергія цих електронів зростає в аксіальному напрямку від центра розряду та досягає максимуму в області катодів. Перша, менш енергетична група електронів, утворена електронами, що уловлені між провисаннями просторового потенціалу. Друга, більш енергетична, група електронів обумовлена електронами, які подолали цей потенційний бар’єр. Для систем розрядних електродів з плоским катодом, крім груп електронів, що ежектуються з плазми розряду, в енергетичних спектрах спостерігається група електронів, які видимо емітуються з поверхні плоского катода за рахунок вторинної іонно-електронної емісії. Енергія цих електронів на виході з розряду визначається величиною потенціалу плоского катода, що емітує електрони. Інтенсивність групи вторинних електронів в енергетичному спектрі виражена слабше, ніж у груп електронів, що ежектуються з плазми розряду. Найбільш імовірна енергія електронного пучка на виході з розряду залежить від сорту робочого газу. Для водню ця енергія набуває більш низьких значень Е  –  еВ, ніж для повітря або аргону Е  –  еВ. Аналіз енергетичних спектрів електронів на виході з розряду свідчить, що це може бути обумовлено більшим провисанням просторового потенціалу за відбивними катодами при використанні більш важких робочих газів. Можливою причиною набору "аномальними" електронами додаткової енергії в аксіальному напрямку може бути взаємодія електронів з ВЧ коливаннями просторового заряду, які спостерігаються у розряді в цьому режимі.

П.3.4 присвячено з’ясуванню можливості керування струмом електронного пучка, що ежектується з пеннінгівського розряду, за рахунок зміни різниці потенціалів між катодами. Встановлено, що при збільшенні негативного потенціалу одного з відбивних катодів струм електронного пучка з протилежного від катода боку розряду зростає. Аналіз експериментальних даних свідчить, що зростання електронного струму в основному відбувається внаслідок збільшення емісії електронів з плазми розряду на радіусі їх викиду, а також відбиття "аномальних" електронів від катода , на який подається негативний потенціал. У цьому випадку найбільш вірогідна енергія електронного пучка та розрядний струм практично не змінюються. При подачі позитивного потенціалу на катод можлива струмова компенсація іонного пучка, який ежектується з розряду одночасно з електронним пучком. Аксіальне розташування зони струмової компенсації залежить від величини напруги, що прикладена між катодами.

У п.3.5 подано рекомендації щодо створення ефективного плазмового джерела електронів пеннінгівського типу. Визначено емісійні характеристики фізичної моделі такого джерела електронів. Показано наявність оптимальних зовнішніх параметрів, за яких струм електронного пучка досягає максимальних значень. У джерелі отримані такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I  мА, щільність струму в пучку J    мА/см2, струмова ефективність джерела  та енергетична ефективність джерела Н ,5 мА/Вт.

Розділ четвертий присвячено експериментальному дослідженню формування потоків електронів із плазмового джерела на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші, при напрузі, що витягає електрони, порядку декількох сотень вольт в діапазоні тисків робочих газів Р –4 – –2 Тор.

П. .1 присвячено дослідженню можливості розширення діапазону робочих параметрів плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду за рахунок використання як робочого газу суміші аргону та водню. Встановлено, що застосування суміші аргону і водню дає змогу істотно розширити цей діапазон порівняно з використанням однокомпонентних газів. Розширення робочих параметрів відбувається за рахунок зниження мінімального струму, що ініціює режим порожнистого катода, зниження розрядної напруги та розширення діапазону робочого тиску, за якого можна витягати з джерела електрони без електричного пробою прискорювальних проміжків.

У п.4.2 описані особливості розрядних та емісійних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші. Встановлено, що найбільше зростання струму електронного пучка, що витягується, а також струмової й енергетичної ефективності джерела даного типу відбувається при негативному зсуві потенціалу порожнистого катода в випадку використання суміші аргону та водню. При перевищенні струму порожнистого катода та швидкості напуску аргону в катодну порожнину деяких значень, відбувається повне переключення розрядного струму в емісійний канал, і розряд горить при знятій анодній напрузі за рахунок різниці потенціалів між катодами. В даному режимі струмова ефективність джерела може бути близька 100Проведені оцінки на підставі експериментальних даних свідчать, що електронний струм, який витягається з джерела в цьому режимі горіння розряду, обумовлено потоком електронів з катодної порожнини через перетин емісійного отвору у відбивному катоді. Внаслідок іонізації робочого газу електронним пучком при його транспортуванні спостерігається іонізаційне посилення струму пучка. В плазмовому джерелі даного типу в діапазоні тисків робочого газу (суміш аргону і водню) Р –4  –2 Тор та при напрузі U  –  В, що витягає електрони, отримано такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I ,5 А, густина струму пучка J  А/см2, струмова ефективність джерела  та енергетична ефективність джерела Н    мА/Вт.

В п.4.3 наведено осцилограми ВЧ коливань, які обумовлюють модуляцію струму електронного пучка в режимі, коли спостерігається переключення розрядного струму в емісійний канал. Частота цих ВЧ коливань f   МГц не залежить від величини магнітного поля і струму електронного пучка. Дані коливання аналогічні коливанням, які описано раніше Груздєвим В.А. і Залесським В.Г. у результаті математичного моделювання еволюції вторинної плазми, що створюється електронним пучком в області емісійного каналу.

Розділ п'ятий присвячено експериментальному вивченню можливості створення ефективного плазмового джерела негативних іонів на базі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом.

В п.5.1 описано параметри потоків заряджених частинок на електроди уловлювача та параметри плазми, яка створюється в уловлювачі методом інжекції електронного пучка з плазмового джерела електронів. Показано, що в об’ємі уловлювача створюється плазма з параметрами, необхідними для утворення негативних іонів (no  11 см–3, Te   еВ). У результаті утримання в уловлювачі низькоенергетичних електронів у його центрі формується область з негативним просторовим потенціалом U  –10 В відносно потенціалу стінок робочої камери.

В п.5.2 наведено емісійні характеристики джерела негативних іонів даного типу. Показано, що струм негативних іонів досягає максимуму за оптимального тиску для кожного сорту робочого газу, який може утворювати негативні іони. Вихід негативних іонів зростає при збільшенні потужності електронного пучка, який інжектується в уловлювач, а також при електростатичному запиранні магнітної щілини. Отримано струм негативних іонів водню I  мкА з густиною струму J ,7 мА/см2. Струмова й енергетична ефективності джерела складали відповідно  ,1та Н – )10–3 мА/Вт. Проведено оцінки впливу основних процесів утворення та руйнування негативних іонів в уловлювачі на струм негативних іонів водню, що витягуються. Порівняння експериментальних залежностей із зробленими оцінками свідчить, що коливальне збудження молекул водню здійснюється, в основному, в плазмовому джерелі електронів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розглянуто такі питання: динаміка електронів з аномально великою енергією в плазмових системах на основі пастки Пеннінга; формування потоків електронів з плазмового джерела на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та невисоких напруг, що витягують електрони; генерація негативних іонів в плазмовому джерелі на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом.

Проведені дослідження дозволяють сформулювати такі висновки:

1. Визначено вплив різних геометричних та зовнішніх параметрів пеннінгівського розряду на його розрядні характеристики при перебудові розряду в режим з ежекцією електронних пучків в аксіальному напрямку. Встановлено, що при використанні більш легкого робочого газу водню, при зменшенні діаметра розрядних електродів, зміні геометрії відбивного катода з циліндричної на плоску, а також при негативному зсуві потенціалу одного із катодів, діапазони зовнішніх параметрів розряду, за яких спостерігається ежекція електронних пучків, поширюються в область більш високих робочих тисків і анодних напруг.

2. Визначено взаємозв’язок між потенціалом плазми в пеннінгівському розряді в області ежекції електронних пучків та виходом "аномальних" електронів з розряду. Встановлено, що при використанні більш легкого робочого газу водню та при негативному зсуві потенціалу одного із катодів спостерігається зниження потенціалу плазми в цій області та збільшення щільності струму електронного пучка, що ежектується в протилежному від
катода напрямку. З’ясовано, що при збільшенні глибини аксіальної потенціальної ями в області ежекції пучка, електрони з аномально великою енергією запираються в розряді. Внаслідок цього щільність плазми в цій області перевищує її величину на осі системи.

3. Встановлено закономірності еволюції в аксіальному напрямку поздовжніх енергетичних спектрів електронного пучка, що ежектується з пеннінгівського розряду. Виявлено і пояснено існування в енергетичних спектрах електронного пучка груп електронів з різною енергією. Показано, що набір "аномальними" електронами додаткової енергії відбувається в аксіальному напрямку від центру розряда та досягає максимальних значень в області відбивних катодів.

4. Запропоновано та експериментально вивчено ефективний спосіб керування струмом електронного пучка, який ежектується з плазми пеннінгівського розряду, шляхом зміни потенціалу між катодами. Показано, що при збільшенні негативного потенціалу одного з відбивних катодів відбувається зростання струму електронного пучка, що ежектується з протилежної від цього катода сторони розряду. Збільшення струму відбувається внаслідок збільшення емісії електронів з плазми розряду на радіусі їх викиду, а також відбиття "аномальних" електронів від катоду, на який подається негативний потенціал.

5. Визначені емісійні характеристики фізичної моделі плазмового джерела електронів пеннінгівського типу. Показано наявність оптимальних зовнішніх параметрів, за яких струм електронного пучка досягає максимальних значень. У джерелі отримані такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I  мА, щільність струму в пучку J    мА/см2, струмова ефективність джерела  енергетична ефективність джерела Н ,5 мА/Вт.

6. Показано можливість розширення робочих параметрів плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом за рахунок використання робочого газу суміші аргону і водню в діапазоні тиску робочого газу Р –4 – –2 Тор при напрузі U <  В, що витягує електрони. Встановлено, що у порівнянні з використанням однокомпонентних газів, застосування суміші аргону та водню дає змогу знизити розрядну напругу та мінімальний струм, що ініціює режим порожнистого катода, а також істотно розширити діапазон робочого тиску за якого можна ініціювати режим порожнистого катода та витягати з джерела електрони без електричного пробою прискорювальних проміжків.

7. Визначено особливості розрядних і емісійних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні робочих газів з різними масовими числами та їх суміші. Встановлено, що найбільше зростання струму електронного пучка, що витягується з джерела, а також струмової й енергетичної ефективності джерела даного типу відбувається при негативному зсуві потенціалу порожнистого катода у випадку використання суміші аргону та водню. Визначено режими джерела зі струмовою ефективністю   – 100На основі проведених оцінок показано, що електронний струм, що витягується з джерела в цьому режимі, обумовлено потоком електронів з катодної порожнини через перетин емісійного отвору у відбивному катоді. У плазмовому джерелі даного типу в діапазоні тисків робочого газу (суміш аргону і водню) Р –4 – –2 Тор та при напрузі U  –  В, що витягує електрони, отримано такі характеристики: максимальний струм електронного пучка I ,5 А, густина струму пучка J  А/см2, струмова ефективність джерела  енергетична ефективність джерела Н    мА/Вт.

8. Визначено параметри плазми й емісійні характеристики фізичної моделі плазмового джерела негативних іонів на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів з порожнистим катодом. Показано, що в об‘ємі електромагнітного уловлювача за рахунок інжекції електронного пучка з плазмового джерела електронів можна створювати плазму з параметрами, необхідними для утворення негативних іонів. Визначено оптимальні тиски робочих газів. Показано, що вихід негативних іонів зростає при підвищенні потужності електронного пучка, який інжектується в електромагнітний уловлювач, а також при здійсненні електростатичного запирання магнітної щілини уловлювача. В джерелі отримано струм негативних іонів водню I  мкА з густиною струму J ,7 мА/см2. Струмова ефективність джерела складала  ,1 енергетична ефективність – Н – )10–3 мА/Вт.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бориско В.Н., Петрушеня А.А., Сосипатров М.В. Технологический плазменный источник электронов // Вопросы атомной науки и техники, Серия "физика плазмы"(2).- 1999.- №10.- С.15-20.

2. Borisko V.N., PetrushenyaYunakov N.N. Generation of compensated ion beams from source with oscillating electrons // Вопросы атомной науки и техники, Серия "физика плазмы"(5).- 2000.- №3.- С.93-95.

3. Бориско В.Н., Петрушеня А.А. Особенности генерации низкоэнергетичных электронных пучков большого сечения из плазменного источника электронов пеннинговского типа // ЖТФ.- 2003.- Т.73, №1.- С.86-90.

4. Бориско В.Н., Петрушеня А.А. Плазменный источник электронов на основе электрически несимметричного отражательного разряда с полым катодом // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, Серія фізична “Ядра, частинки, поля”.- 2002.- №559.- С.67-71.

5. Borisko.N., Petrushenya.A. Influence of gas mixture with various mass numbers of gases on operation pressure range of plasma electron source with hollow cathode // Вопросы атомной науки и техники, Серия “физика плазмы”(7).- 2002.- №4.- С.179-181.

6. A.A. and Borisko V.N. Investigation of negative ion generation in a cusp plasma electromagnetic trap with a hollow-cathode Penning source of electrons // Rev. Sci. Instr.- 2004.- V.75, No.5.- P.1767-1769.

7. Бориско В.Н., Петрушеня А.А., Сосипатров М.В. Плазменный источник электронов // Научно-техническая конференция "Техника и физика электронных систем и устройств". Тезисы докладов, Ч.1.- Сумы, Украина, 18-20 мая, 1995 г.- С.93,94. 

8. BoriskoPetrushenya A.A., SidorenkoPenning plasma source of electrons // 23rd IEEE International Conference on Plasma Science. Conference record - abstracts.- Boston, USA, June , 1996.- P.224.

9. Borisko V.N., Petrushenya A.A., Yunakov N.N. Generation of compensation ion beams from source with oscillating electrons // VIII Ukraine Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. Book of abstracts.- Alushta, Ukraine, September 11-16, 2000.- P.109.

10. Бориско В.Н., Петрушеня А.А. Влияние геометрии разрядных электродов на эжекцию электронных пучков из плазменного источника электронов пеннинговского типа // 4 Международный симпозиум Вакуумные технологии и оборудование ISVTE  . Раздел 1: Физические явления и процессы в вакууме.- Харьков, Украина, 23-27 апреля, 2001 г.-С.79-82.

11.Petrushenya A.A. Influence of gas mixture with various mass numbers of gases on operation pressure range of plasma electron source with hollow cathode // International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. Book of abstracts.- Alushta, Ukraine, September 16-21, 2002.- P.181.

12. V.N., Petrushenya A.A. Investigation of negative ion generation in a cusp plasma electromagnetic trap with a hollow-cathode Penning source of electrons // The 10th International Сonference on Ion Sources ICIS 2003. Abstracts.- Dubna, Russia, September 8-13, 2003.- P.147.

Петрушеня А.А. Створення та динаміка негативно заряджених частинок у плазмових електромагнітних уловлювачах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико  математичних наук за спеціальністю 01.04.08 – фізика плазми. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2005.

Дисертацію присвячено експериментальному дослідженню створення та динаміки електронів і негативних іонів у плазмових джерелах на основі пастки Пеннінга та однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача. Експериментально встановлено особливості еволюції в аксіальному напрямку повздовжніх енергетичних спектрів електронного пучка, що ежектується з плазмових систем пеннінгівського типу. Визначено ефективний спосіб керування струмом пучка електронів, що ежектується. Експериментально визначені особливості емісійних і розрядних характеристик плазмового джерела електронів на основі електрично-несиметричного відбивного розряду з порожнистим катодом при використанні як робочих газів з різними масовими числами та їх суміші. Експериментально доказана можливість генерації негативних іонів у плазмовому джерелі негативних іонів на основі однощілинного гострокутного електромагнітного уловлювача та плазмового джерела електронів.

Ключові слова: гострокутний електромагнітний уловлювач, розряд Пеннінга, аномальні електрони, порожнистий катод, негативні іоні, плазмове джерело.

Petrushenya А.А. Formation and dynamics of negative charged particles in plasma electromagnetic traps. – Manuscripts.

Thesis for the scientific degree of Candidate of Science in Physics and Mathematics by speciality 01.04.08 – Plasma Physics. – Karazin