Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 11, стр. 1539-1543

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время электронные пучки [1] находят широкое применение для локального теплового воздействия на различные металлические материалы в таких операциях как резка, сварка, испарение, наплавка. Среди электронных источников выделяются устройства с плазменным катодом [2, 3] благодаря отсутствию в них накаливаемых до термоэмиссионных температур элементов конструкции, и способности генерировать пучки с плотностью мощности вплоть до 10⁷ Вт/см².

Форвакуумные плазменные источники электронов [4, 5], обеспечивающие генерацию пучка в диапазоне давлений от единиц до сотни паскалей, в отличие от традиционных плазменных источников, работающих в диапазоне давлений до 10^–1 Па, способны эффективно обрабатывать электрически непроводящие материалы, такие как высокотемпературные марки керамики, стекла. Способность таких источников к эффективной обработке диэлектриков без применения дополнительных средств компенсации отрицательного заряда на обрабатываемой поверхности связана с воздействием на поверхность потока ионов из пучковой плазмы. Пучковая плазма генерируется за счет ионизации рабочего газа электронами пучка, а также в результате зажигания поддерживаемого электронным пучком разряда между обрабатываемой поверхностью и стенками вакуумной камеры [6]. Поток ионов из пучковой плазмы на обрабатываемую поверхность нейтрализует отрицательный заряд электронного пучка. Именно поэтому потенциал поверхности диэлектрической мишени, хотя и остается отрицательным, но его величина становится значительно меньше ускоряющего напряжения [6].

При формировании и транспортировке электронного пучка в области повышенных давлений рассеяние пучка на молекулах остаточной газовой атмосферы затрудняет эффективную фокусировку электронного пучка. Несмотря на данное затруднение ранее нами в работах [7–9], посвященных изучению условий, обеспечивающих улучшение условий магнитной фокусировки электронного пучка в области повышенных давлений форвакуумного диапазона, в результате оптимизации конструкции и параметров форвакуумного плазменного источника плотность мощности электронного пучка была повышена на порядок величины до 10⁶ Вт/см².

Цель настоящей работы заключается в исследовании основных характеристик форвакуумного плазменного источника электронов, предназначенного для генерации сфокусированного электронного пучка с плотностью мощности 10⁶ Вт/см².

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Конструкция и внешний вид форвакуумного плазменного источника 1 электронов, предназначенного для генерации сфокусированных непрерывных пучков 2, представлены на рис. 1. Принцип работы электронного источника основан на эмиссии электронов из плазмы 3 стационарного тлеющего разряда с полым катодом 4 через одиночный эмиссионный канал диаметром D_em в аноде 5. Ускорение электронов производили электрическим полем ускоряющего промежутка, образованного анодом 5 и экстрактором 6. Подробно конструкция форвакуумного источника, и методики измерений параметров электронного пучка, изложены в [7].

Рис. 1.

Конструкция (а) и внешний вид (б) форвакуумного плазменного источника сфокусированного непрерывного пучка электронов: 1 – форвакуумный источник электронов; 2 – электронный пучок; 3 – эмиссионная плазма; 4 – полый катод; 5 – анод; 6 – экстрактор; 7 – дополнительная фокусирующая катушка; 8 – основная фокусирующая катушка; 9 – плоскость измерения параметров пучка; 10 – отклоняющая магнитная система; 11 – магнитный экран.

Для фокусировки электронного пучка используется магнитное поле двойной фокусирующей системы. Основная катушка 8 обеспечивает положение кроссовера в плоскости коллектора 9, тогда как дополнительная катушка 7 стабилизирует расходимость электронного пучка.

Конфигурация и размеры всех функциональных узлов форвакуумного источника выбраны на основе проведенных исследований [7–9] и они обеспечивают наилучшие условия магнитной фокусировки электронного пучка и максимальные удельные параметры пучка. Оптимальная геометрия электродов источника: диаметр и протяженность катодной полости – 20 и 40 мм соответственно; диаметр выходной апертуры катодной полости – 8 мм; толщина эмиссионного электрода – 2 мм; протяженность ускоряющего промежутка – 7 мм; диаметр отверстия в экстракторе – 4 мм; расстояние между нижним торцом магнитной катушки дополнительной фокусирующей системы и плоскостью коллектора – 250 мм. Величина индукция магнитного поля в центре дополнительной катушки № 1 составляла B_ac = 15.5 мТл. Магнитное поле основной катушки № 2 выбирали таким образом, чтобы обеспечить положение фокальной плоскости в плоскости коллектора, и получить в центре катушки величину B_mc = 10 мТл. Характеристики форвакуумного источника сравнивали для двух диаметров эмиссионного канала D_em = 0.7 и D_em = 1.5 мм.

Измерение диаметра d_b электронного пучка производили стандартным методом “отклонения” [10]. Отклонение электронного пучка от оси системы производили при помощи магнитной катушки 10, расположенной вблизи основной катушки 8 (рис. 1) Для ослабления влияния магнитного поля фокусирующей катушки на магнитное поле отклоняющей системы, основная катушка была оборудована магнитным экраном 11 с центральным отверстием диаметром 50 мм. Ток пучка I_b измеряли путем отведения электронного пучка на отдельно стоящий цилиндр Фарадея. Измерения параметров плазмы (температура T_e и концентрация n) на оси катодной полости осуществляли одиночным ленгмюровским зондом в отсутствии ускоряющего напряжения согласно методике, изложенной в [11].

Вакуумную камеру откачивали механическим насосом до предельного давления 1 Па. Затем в нее напускали гелий до рабочего давления p = 10–30 Па. Ток разряда I_d в экспериментах изменялся в пределах 0.1–1 А. Ускоряющее напряжение U_a варьировали от 0 до 30 кВ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОНОВ

Характеристики и параметры плазменного источника электронов однозначно определяются характеристиками разрядной системы электронного источника и достигнутыми параметрами эмиссионной плазмы. Вольтамперные характеристики разряда с полым катодом и зависимости концентрации плазмы на оси полого катода от тока разряда форвакуумного плазменного источника представлены на рис. 2а и 2б соответственно. Видно, что напряжение горения разряда U_d составляет 350–420 В и растет по мере увеличения разрядного тока I_d (рис. 2а, кривая 1). Повышение ускоряющего напряжения U_a (кривая 2) и рост давления газа p (кривые 3 и 4) приводит к снижению напряжения горения разряда U_d на 10–30 В.

Рис. 2.

Вольтамперные характеристика разряда U_d(I_d) (а) и зависимости концентрации плазмы n на оси полого катода форвакуумного источника от тока разряда I_d (б) при различных ускоряющих напряжениях U_a и давлениях p рабочего газа: 1 – p = 10 Па, I_d = 0.5 А; 2 – p = 30 Па, I_d = 0.5 А; 3 – p = 10 Па, I_d = 1 А; 4 – p = 30 Па, I_d = 1 А; 5 – p = 10 Па; 6 – p = 20 Па; 7 – p = 30 Па.

В условиях эксперимента температура электронов плазмы оставалась практически постоянной и составляла величину T_e ≈ 2 эВ. Из рис. 2б видно, что концентрация плазмы n линейно растет с увеличением разрядного тока I_d. Повышение давления рабочего газа приводит к росту крутизны зависимости n(I_d). Так, увеличение давления p с 10 Па (кривая 5, рис. 2б) до 30 Па при использовании в качестве рабочего газа гелия приводит к росту значений концентрации плазмы более чем в два раза (кривая 7, рис. 2б). При токе разряда I_d = 1 А концентрация достигает уровня n = 1.5 ⋅ 10¹⁸ м^–3 при давлении p = 10 Па, при давлении p = 30 Па – n = 3.2 ⋅ 10¹⁸ м^–3. Достигнутые параметры плазмы обеспечивают возможность эмиссии с нее электронов с плотностью тока вплоть до 10 А/см².

Вольтамперные и эмиссионные характеристики электронного источника, а также зависимости минимального диаметра электронного пучка от ускоряющего напряжения и тока электронного пучка представлены на рис. 3а–3г, соответственно.

Рис. 3.

Зависимости тока I_b (а, б) и диаметра d_b (в, г) электронного пучка от ускоряющего напряжения (а, в) и тока разряда (б, г) при различных давлениях p рабочего газа (гелия) и диаметрах эмиссионного канала D_em (гелий; а – ток разряда I_d = 1 А; б – ускоряющее напряжение U_a = 30 кВ): 1 – p = 10 Па, D_em = 0.7 мм; 2 – p = 10 Па, D_em = 1.5 мм; 3 – p = = 30 Па, D_em = 0.7 мм; 4 – p = 30 Па, D_em = 1.5 мм.

Как можно видеть на рис. 3а, зависимость тока электронного пучка I_b от ускоряющего напряжения U_a содержит в пределах ускоряющего напряжения 2–4 кВ участок резкого роста тока. Далее рост замедляется и наблюдается тенденция к насыщению (кривые 1, 2 на рис. 3а). Такой вид зависимости I_b(U_a) характерен для плазменных электронных источников [11] и подтверждает наличие ускоренного электронного пучка. Однако в отличие от плазменных источников, функционирующих в традиционной области давлений, на участке насыщения при U_a > 4 кВ увеличение ускоряющего напряжения приводит к дальнейшему росту тока, что особенно заметно при повышенном давлении рабочего газа (кривые 3, 4 на рис. 3а). Так, на кривой 4 на рис. 3а при p = 30 Па и I_d = 1 А по мере увеличения ускоряющего напряжения U_a с 4 до 30 кВ ток пучка I_b возрастает с 45 до 75 мА. Указанный рост тока пучка связан с особенностями функционирования плазменного источника электронов в форвакуумной области давлений, а именно с изменением параметров эмиссионной плазмы при наличии обратного ионного потока из ускоряющего промежутка и, вследствие этого повышения тока эмиссии электронов из плазмы [11]. Увеличение давления p с 10 до 30 Па приводит к увеличению тока пучка на величину более 15 мА при диаметре эмиссионного канала D_em = 1.5 мм (кривые 2, 4 на рис. 3а). При D_em = 0.7 мм при подобном росте давления ток пучка практически не изменяется (кривые 1 и 3 на рис. 3а).

Из представленных на рис. 3б зависимостей I_b(I_d) видно, что ток пучка I_b монотонно растет по мере увеличения тока разряда I_d. Однако в отличие от линейного роста концентрации плазмы на рис. 2б, крутизна кривой I_b(I_d), а также эффективность извлечения, уменьшаются по мере увеличения тока разряда I_d. Разрядный ток I_d в интервале 0.1–1 А позволяет задавать ток пучка I_b в пределах 70% от его максимального значения.

Как видно из рис. 3в диаметр электронного пучка d_b резко уменьшается по мере увеличения ускоряющего напряжения U_a. В связи с этим эффективная фокусировка электронного пучка до диаметра менее 1 мм обеспечивается лишь при ускоряющем напряжении U_a свыше 20 кВ. При изменении тока разряда I_d при давлении p = 10 Па (кривые 1, 2 на рис. 3г) и диаметре эмиссионного канала D_em = 0.7 мм (кривые 1, 3 на рис. 3г) диаметр пучка d_b остается постоянным. При p = 10 Па и D_em = 0.7 мм наблюдается линейный рост d_b при увеличении I_d (кривая 4 на рис. 3г), связанный с изменением условий магнитной фокусировки из-за смещения эмиссионной плазменной границы. Также на рис. 4г видно, что наименьший диаметр пучка d_b = 0.15 мм обеспечивается при давлении p = 10 Па и диаметре эмиссионного канала D_em = = 0.7 мм (кривая 1). При увеличении давления до p = 30 Па диаметр пучка возрастает до d_b = 0.25 мм из-за увеличения интенсивности рассеяния электронов на молекулах рабочего газа. При диаметре эмиссионного канала D_em = 0.7 мм наименьший диаметр составляет d_b = 0.4 мм при давлении p = 10 Па.

Рис. 4.

Зависимости плотности мощности электронного пучка q от ускоряющего напряжения U_a (а) и тока разряда I_d (б) при различных давлениях p рабочего газа (гелия) и диаметрах эмиссионного канала D_em (гелий; а – ток разряда I_d = 1 А; б – ускоряющее напряжение U_a = 30 кВ): 1 – p = 10 Па, D_em = 0.7 мм; 2 – p = 10 Па, D_em = 1.5 мм; 3 – p = 30 Па, D_em = = 0.7 мм; 4 – p = 30 Па, D_em = 1.5 мм.

Влияние ускоряющего напряжения и тока разряда на достижение максимальной плотности мощности электронного пучка продемонстрировано на рис. 4. Увеличение ускоряющего напряжения U_a вызывает резкий рост плотности мощности пучка q при напряжениях свыше 15 кВ (рис. 4а). К этому приводит как возрастание энергии электронов, так и повышение плотности тока пучка в кроссовере при увеличении тока пучка (рис. 3а), а также уменьшение диаметра пучка (рис. 3в). Увеличение тока I_d разряда при p = 10 Па приводит к монотонному росту плотности мощности q (кривые 1, 2 на рис. 4б). Так, при диаметре эмиссионного канала D_em = 1.5 мм обеспечивается максимальная плотность мощности электронного пучка q = 1.3 ⋅ 10⁶ Вт/см² (кривая 2) при диаметре пучка d_b = 0.4 мм. При этом для D_em = 0.7 мм, при котором обеспечивается режим с минимальным диаметром пучка d_b = 0.15 мм, плотность мощности меньше и достигает значения q = 0.4 ⋅ 10⁶ Вт/см² (кривая 2 на рис. 4б). Однако данный уровень плотности мощности также является достаточным для некоторых применений. Увеличение давления p приводит к падению плотности мощности q (кривые 3 и 4 на рис. 4б) из-за роста диаметра пучка. При D_em = 0.7 мм это приводит лишь к абсолютному уменьшению q (кривая 3 на рис. 4б), в то время, как при D_em = 1.5 мм наблюдается появление спадающего участка при I_d > 0.6 А (кривая 2 на рис. 4б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены результаты исследования основных характеристик и особенностей работы форвакуумного плазменного источника с двойной фокусирующей системой, предназначенного для генерации сфокусированного электронного пучка с высокой плотностью мощностью. Были исследованы: вольтамперные характеристики разряда и зависимости концентрации плазмы в катодной полости, а также влияние тока разряда, ускоряющего напряжения и диаметра эмиссионного канала на параметры электронного пучка (минимальный диаметр, ток, плотность мощности). Электронный пучок, генерируемый форвакуумным источником, с достигнутыми параметрами (плотность мощности до 1.3 ⋅ 10⁶ Вт/см² и диаметром менее 0.4 мм) можно эффективно использовать для прецизионной плавки и резки диэлектриков с высокой температурой плавления (керамика, стекло).

Работы по изучению характеристик разряда с полым катодом форвакуумного источника осуществлялись при поддержке грантом РФФИ № 19-48-700004. Работы по исследованию удельных параметров пучка при магнитной фокусировке выполнены при поддержке грантом Президента РФ для молодых ученых – докторов наук № МД-2649.2019.8.