Источник электронов на основе разряда с полым катодом для генерации пучков в форвакуумном диапазоне давлений

2
ВВЕДЕНИЕ
Развитие новых и совершенствование существующих технологий модификации поверхностных свойств конструкционных материалов, связанных с использованием электронных пучков, стимулирует разработку новых источников электронов. В настоящее время созданы электронные пушки, генерирующие электронные пучки с широким спектром рабочих параметров и применяющиеся в различных технологических процессах - термической обработке, пайке, электроннолучевой сварке, осаждении покрытий, получении новых материалов, плазмохимической технологии и т.д. Традиционный диапазон рабочих давлений большинства современных электронных источников находится в пределах 10'3-1 мТорр. Создание электронной пушки, надежно функционирующей и обеспечивающей стабильные характеристики электронного пучка при более высоких давлениях - в форвакуумном диапазоне, позволило бы существенно расширить возможности установок электронно-лучевой технологии, а также отказаться от использования дорогостоящих диффузионных и турбомолекулярных насосов. В первую очередь это относится к установкам плазмохимической технологии, в которых диапазон рабочих давлений в зоне реакции составляет 10 мТорр -1 Topp. Задача повышения верхней границы диапазона давлений в рабочей зоне плазмохимического реактора является крайне актуальной, так как производительность установки и рентабельность технологии определяется скоростью прокачки рабочего газа. Практически во всех существующих установках плазмохимической технологии, область генерации пучка и зона реакции разделяется сложной и дорогостоящей системой дифференциальной откачки. Осуществление генерации электронов в форвакуумном диапазоне давлений, позволило бы отказаться от
3
использования систем дифференциальной откачки и сделать технологический процесс более простым, надежным и рентабельным. Обеспечение требуемых параметров электронного пучка и соблюдение необходимых технологических режимов в тяжелых вакуумных условиях (форвакуумный диапазон давлений), присутствие интенсивного обратного потока ионов, разрушающего катод, наличие химически афессивной среды предъявляют особые требования, которым существующие электронные источники не удовлетворяют в полной мере. Электронные пушки с термокатодом в силу известных недостатков не могут быть использованы для работы в подобных условиях. Из плазменных источников электронов в аналогичных режимах работают источники на основе высоковольтного тлеющего разряда. Однако они имеют целый ряд недостатков - низкий к.п.д., большой разброс электронов по скоростям, сильную взаимосвязь основных параметров и т.д. В этом отношении гораздо лучшими характеристиками обладают источники на основе тлеющих разрядов, в частности разряд с полым катодом. В то же время, отсутствуют сведения о работе таких источников в форвакуумном диапазоне давлений.
В последние годы большой интерес вызывает возможность создания неравновесных условий в области протекания химической реакции в плазмохимических реакторах на основе стационарного пучково-плазменного разряда. Использование коллективных процессов в плазме для нагрева электронов в зоне реакции, открывает новые перспективные методы решения задач современной химии. Проблема реализации пучково-плазменного разряда в установках плазмохимической технологии для осуществления различных реакций диссоциации и синтеза имеет огромное значение в прикладном отношении, так как её решение позволит реализовать новые технологические процессы.
4
Таким образом, тематика диссертационной работы, посвященная исследованию оптимальных условий создания газоразрядной плазмы, особенностей эмиссии электронов из плазмы разряда и их ускорения в условиях высоких давлений, процессов транспортировки электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений, влияния магнитного поля на процессы генерации и транспортировки пучка, поиск условий зажигания пучково-плазменного разряда и изучение параметров пучковой плазмы, разработку на основе проведенных исследований простой и надежно функционирующей электронной пушки, использующей только механические средства откачки, реализацию оптимальных условий для осуществления плазмохимических реакций на базе разработанного источника электронов представляется актуальной.
Основными задачами данной работы являются:
1. Исследование параметров тлеющего разряда с полым катодом в форвакуумном диапазоне давлений, в условиях эмиссии электронов, с магнитным полем и без него.
2. Исследование условий стабильной генерации электронного пучка в разрядно-эмиссионной системе на основе разряда с полым катодом в форвакуумном диапазоне давлений.
3. Исследование процесса формирования и распространения электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений и определение оптимальных условий зажигания пучково-плазменного разряда.
4. Создание простой и надежной конструкции электронного источника обеспечивающей стабильные характеристики электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений.
5
5. Реализация реакции диссоциации углеродосодержащих газов для осаждения алмазоподобных покрытий с использованием созданного источника электронов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Исследованы эмиссионные свойства и характеристики тлеющего разряда с полым катодом в форвакуумном диапазоне давлений в магнитном поле.
2. Определены оптимальные условия извлечения электронов из плазмы тлеющего разряда с полым катодом и генерации электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований создан простой и надежный источник электронов, который позволяет получать электронный пучок со стабильными параметрами в форвакуумном диапазоне давлений, на основе эмиссии электронов из разряда в остаточном давлении рабочего газа, без использования дифференциальной системы откачки. На базе разработанной пушки и реализованного с её помощью пучковоплазменного разряда, созданы основы технологии осаждения алмазоподобных покрытий.
Диссертационная работа состоит из четырёх глав.
В первой главе на основании критического анализа литературных данных рассмотрены физические особенности разряда с полым катодом, особенности эмиссии из плазмы разряда с осциллирующими электронами при повышенном давлении, современный уровень развития источников электронов различных типов и способы генерации электронных пучков при повышенном давлении газа. В заключении главы формулируются задачи исследований.
6
Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований параметров тлеющего разряда с полым катодом в зависимости от рода и давления газа, величины магнитного поля. Представлены результаты исследования разряда с полым катодом в условиях эмиссии электронов в форвакуумном диапазоне давлений.
Третья глава посвящена исследованию процесса генерации электронного пучка из плазмы тлеющего разряда с полым катодом в форвакуумном диапазоне давлений. Представлены экспериментальные результаты поиска путей повышения рабочего давления электронного источника, приводятся результаты исследования влияния различных факторов - геометрии разрядно-эмиссионной системы, аксиального магнитного поля, типа анода на генерацию электронного пучка, способы увеличения электрической прочности ускоряющего промежутка и стабилизации плазменной границы. Обсуждаются механизмы стабилизации плазменной границы слоем пространственного заряда при наличии обратного потока ионов, а также возрастания электрической прочности ускоряющего промежутка в присутствии электронного пучка.
В четвертой главе приведена конструкция и параметры разработанного в результате проведенных исследований плазменного источника электронов на основе тлеющего разряда с полым катодом, функционирующего в диапазоне давлений 10-100 мТорр, представлены результаты экспериментов по зажиганию пучково-плазменного разряда с помощью разработанного электронного источника без использования дифференциальной системы откачки. Приводятся конкретные результаты технологического применения созданного устройства - осаждения алмазоподобных покрытий посредством диссоциации метана в плазме пучкового разряда.
7
Основываясь на полученных результатах, можно сформулировать следующие защищаемые научные положения:
1. Сочетание в источнике электронов разрядной системы с полым катодом и илоскопараллельного ускоряющего промежутка, разделенных друг от друга экранирующей металлической сеткой, позволяет осуществить генерацию широкоапертурного электронного пучка в форвакуумном диапазоне давлений в отсутствие перепада давлений между разрядным и ускоряющим промежутками.
2. Достижение максимального рабочего давления источника электронов при сохранении высокой эффективности извлечения электронов с заданной энергией определяется оптимальным соотношением размеров ячейки сетки, длины ускоряющего промежутка и величиной магнитного поля в области формирования пучка.
3. В форвакуумном диапазоне давлений электрическая прочность ускоряющего промежутка источника электронов повышается в присутствии электронного пучка, что обусловлено локальным нагревом газа в области ускоряющего промежутка.
4. Электронный источник на основе разряда с полым катодом обеспечивает генерацию непрерывного электронного пучка с током до 1 А и энергией до 10 кэВ в области рабочих давлений, достигающих 100 мТорр.
8
ГЛАВА 1 ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД С ПОЛЫМ КАТОДОМ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
1.1. Физические особенности тлеющего разряда с полым катодом
Разряд с полым катодом [1] , благодаря целому ряду своих уникальных свойств, находит широкое применение в плазменных источниках заряженных частиц [2,3]. Специфика разряда с полым катодом определяется высоким коэффициентом использования заряженных частиц, образующихся в ограниченном пространстве внутри полости. Для обеспечения эффекта полого катода необходимо предпринимать специальные меры, направленные на увеличение времени жизни электрона в анод-катодном пространстве. Поэтому, катод конструктивно выполняется в виде полого цилиндра в одном из плоских торцов которого имеется отверстие. Тип разряда с полым катодом определяется механизмом эмиссии электронов.
Различают дуговые разряды с холодным и накальным полым катодом [3], а также тлеющие разряды с полым катодом. Тлеющий разряд с полым катодом существует в высоковольтной и низковольтной формах [1]. Сильноточная, низковольтная форма тлеющего разряда с полым катодом характеризуется высокой плотностью тока (до десятков А/см2) при напряжении в несколько сотен вольт, временной стабильностью и пространственной однородностью параметров плазмы [4,5].
Авторы работ [5,6] показывают, что эффект полого катода является частным случаем более широкого круга явлений - эффекта осцилляций быстрых электронов в катодной области тлеющего разряда, который не зависит от способа организации осцилляций и характеризуется рядом общих
9
закономерностей. В связи с этим необходимо рассмотреть два специфических свойства тлеющего разряда с осциллирующими электронами.
Во-первых, характеристики разряда начинают заметно отличаться от характеристик линейного аномального тлеющего разряда именно тогда, когда с уменьшением давления длина столкновительной релаксации энергии первичного электрона становится больше средней длины пролета от катода до первой точки поворота в катодном слое [4]. Таким образом, эффект осцилляций проявляется лишь в тех случаях, когда после пролета через плазму первичный электрон возвращается в слой с энергией, достаточной для эффективной ионизации газа в слое. Это свидетельствует о важной роли ионизации в катодном слое в механизме эффекта осцилляций. Действительно, если начальная энергия образованных в плазме вторичных электронов мала для осуществления заметной дополнительной ионизации, то энергия образованного в слое электрона сравнима с начальной энергией первичных электронов. Поэтому, рассматриваемый процесс может являться эффективным дополнительным каналом передачи энергии источника питания на ионизацию газа в разрядном промежутке. Условие самостоятельности разряда можно в этом случае записать в виде:
у8 М+п<)=1, (1.1)
где у -коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии, в рассматриваемом диапазоне не зависящий от энергии ионов; - среднее число ионов, образованных первичным электроном; л, - число ионов, образованных в расчете на один первичный электрон быстрыми вторичными электронами; 6 - доля ионов поступающих на катодную поверхность. Выражение (1.1) позволяет преодолеть затруднения, характерные для многих теоретических моделей, не учитывающих образование быстрых вторичных электронов в слое, и обеспечить баланс
10
заряженных частиц для распространенной экспериментальной ситуации, когда у8Иі< 1.
Вторым специфическим свойством разряда является обнаруженная экспериментально [4] прямо пропорциональная зависимость ширины катодного слоя от средней длины пролета первичного электрона от катода до первой точки поворота в слое при постоянной величине катодного падения потенциала. Указанная зависимость наблюдается в области развитого эффекта осцилляций, при котором разрядные характеристики практически не зависят от давления, а длина свободного пробега соизмерима с длиной пролета первичного электрона от катода до катода [6 ].
В работе [7] было показано, что характеристики разряда с полым катодом в области давлений 1-10 Па сильно зависят от отношения
(1.2)
где б* . площадь выходной апертуры катодной полости, б* . площадь внутренней поверхности катода. В экспериментах использовался цилиндрический полый катод, длина которого изменялась от 10 до 90 см посредством подвижного поршня, электрически соединенного с катодом. На одном из торцов полого катода устанавливались сменные диафрагмы с различным диаметром отверстий - от 16 до 2 см. Разряд зажигался при давлении на уровне 10 Па в области минимума кривой Пашсна. Проводились измерения напряжения горения разряда от давления при постоянной величине тока для различных ц. Обнаружено, что уже при ц «
0.1 практически все ионы, образованные в полости поступают на ее внутреннюю поверхность [7]. Образующиеся на поверхности в результате / -процессов первичные электроны ускоряются в катодном слое до энергии, соответствующей величине катодного падения потенциала. Эту энергию они расходуют в дальнейшем на ионизацию и возбуждение газа при многократных осцилляциях внутри полости, отражаясь в катодном слое
11
после каждого пролета через заполняющую полость плазму. В рассматриваемом режиме разряда катодная полость представляет собой электростатическую ловушку для быстрых электронов, покинуть которую они могут только через выходную апертуру полости. Таким образом, коэффициент использования энергии первичных электронов для ионизации газа зависит от соотношения их длины релаксации Л - среднего пути, на котором энергия первичного электрона уменьшается до порога ионизации рабочего газа, и средней длины траектории движения электрона в полости до вылета из нее через апертуру. Величину Л можно оценить с помощью выражения:
л=(*адд, (1.3)
где е - заряд электрона, £/* - катодное падение потенциала, Е1 - порог ионизации рабочего газа, Я - длина свободного пробега первичного электрона. Если существенную роль в разряде играют коллективные процессы, то в результате пучково-плазменных взаимодействий длина релаксации может существенно уменьшаться [8,9]. При 77 >0.1, пространственное распределение первичных электронов зависит от конкретной геометрии полости и в ряде случаев наблюдается слабая асимметрия быстрых электронов в плазме разряда. Для /7«1, распределение первичных электронов становится однородным [6,7,8]. Анализ зависимостей характеристик разряда от параметра 7 свидетельствует о том, что потери первичных электронов в результате поглощения катодной поверхностью не влияют на параметры разряда, а решающую роль играют потери через выходную апертуру [10].
Для более эффективного использования разряда с полым катодом в источниках заряженных частиц, необходимо дальнейшее улучшение его эксплутационных параметров - прежде всего снижение напряжения горения разряда. Помимо использования геометрического фактора - уменьшения
12
отношения Sa/Sk - к снижению напряжения горения разряда приводит наложение на область полого катода аксиального магнитного поля. В работе [6] исследовалась зависимость напряжения горения разряда от величины напряженности аксиального магнитного поля для различных значений диаметров выходной апертуры. Длина катода составляла 10 см, диаметр выходной апертуры изменялся от 4 до 2 см, ток разряда принимал значения - 100, 200 и 400 мА, все измерения проводились в режиме непрерывного протока через объем камеры рабочего газа. Камера с полым катодом размещалась внутри системы соленоидов, создававших аксиальное магнитное поле напряженностью до 50 кА/м. Было отмечено уменьшение напряжения горения разряда по мере увеличения напряженности магнитного поля [8,11]. Необходимо отметить, что рабочее давление в процессе измерения зависимости напряжения горения от напряженности магнитного поля не превышало 10 мТорр.
Таким образом, основными факторами, оказывающими влияние на характеристики разряда с полым катодом являются - геометрическое соотношение S/Sk и аксиальное магнитное поле. Уменьшение площади сечения выходной апертуры при неизменной длине катода, а также наложение аксиального магнитного поля на область полого катода повышает коэффициент использования быстрых электронов. Для повышения эффективности использования разрядной системы с полым катодом в плазменных источниках электронов необходимо исследование режимов горения разряда с диаметром выходной апертуры менее 1см. В то же время вопрос о влиянии эмиссии электронов на параметры разряда с полым катодом мало изучен. Представляет существенный практический интерес исследование зависимости напряжения горения разряда от величины аксиального магнитного поля при давлениях выше 10 мТорр.
13
1.2. Особенности эмиссии электронов из плазмы разряда с полым катодом
при повышенных давлениях
Способность эмитировать электроны и ионы является одним из фундаментальных свойств плазмы. Именно это замечательное свойство ионизованного газа используется в плазменных источниках заряженных частиц.
1.2.1. Общие особенности эмиссии электронов из плазмы
Под термином «плазменный эмиттер электронов» или «плазменный катод» подразумевается электроразрядное устройство, формирующее плазм)', с границы которой осуществляется эмиссия электронов. По сравнению с термокатодом плазменные эмиттеры электронов обеспечивают большую плотность тока, некритичны к тяжелым вакуумным условиям и способны стабильно функционировать в химически агрессивных средах \ 12]. Простейшая схема плазменного катода представлена на рис. 1.1. Устройство включает в себя генератор плазмы, плазменную эмиссионную поверхность и ускоряющий электрод - экстрактор, к которому относительно одного из электродов разрядной системы приложено ускоряющее электроны напряжение. Примем для определенности в качестве опорного электрода анодный электрод. Для большинства случаев анодное падение отрицательно и электроны, попадают на анод, преодолевая потенциальный барьер. Для ускорения заряженных частиц внешним полем необходимо, чтобы увеличение приложенного напряжения приводило к соответствующему росту скорости частиц. При нулевой разности потенциалов между анодом и экстрактором, последний, является частью анода. Следовательно, при нулевой разности потенциалов плотность электронного тока на экстрактор совпадает с плотностью электронного тока
14
на анод. При подаче на экстрактор ускоряющего потенциала, барьер для электронов понижается. Плотность электронного тока через барьер определяется соотношением Больцмана
je =jexexP[~e(<Рп - <Р*> SkTJ, (1.4)
гДе Jex = enevj4 - плотность хаотического тока электронов из плазмы, (рп -потенциал плазмы, (ръ - потенциал экстрактора, Те - электронная температура, к- постоянная Больцмана. Снижение барьера приводит к повышению плотности тока электронов на экстрактор. При установившемся балансе рождения и гибели заряженных частиц в плазме, такое повышение плотности тока возможно лишь в результате перераспределения тока между анодом и экстрактором. Так как
ja = jex ехр[-е(<% - (Ра) /kTJ, (1.5)
где (ра - потенциал анода, то наиболее вероятный путь уменьшения плотности анодного тока связан с возрастанием потенциала плазмы и повышением потенциального барьера для электронов, уходящих на анод.
Таким образом, попытка ускорить электроны, выходящие из плазмы на экстрактор, приводит к повышению потенциала плазмы, что, согласно (1.4), компенсирует снижение потенциального барьера для этих эмитированных электронов. Плазма в этом случае не остается спокойной к отбору из нее электронов и реагирует на это повышением своего потенциала [13]. В результате анализа процессов эмиссии электронов из плазмы, A.B. Жариновым [14], получено соотношение, которое может рассматриваться как условие достижения ускорения электронов при их отборе из плазмы:
GSAS,+SJ<1,
(1.6)
15
Рис. 1.1 Плазменный катод.
1с» И
/с «И
Рис. 1.2. Иллюстрация трех возможных механизмов эмиссии электронов из плазмы:
1 - плазма, 2 - слой, 3 - эмиссионное отверстие, 4 - электронный пучок.
16
где £3 - площадь эмиссионной поверхности плазмы, £а - площадь поверхности анода - в общем случае суммарная площадь поверхностей всех электродов, на которые могут уходить электроны из разрядного промежутка, <7 - параметр разряда, приблизительно равный отношению плотности хаотического тока электронов к плотности электронного тока на анод в отсутствие отбора электронов из плазмы. Для разрядов с отрицательным анодным падением потенциала С > 1. В сущности условие
(1.6) есть следствие условия непрерывности тока в разряде. Оно означает, что ускорение электронов возможно, если при снятии барьера ток эмиссии электронов не превышает тока разряда. Из плазмы невозможно извлечь электронов больше, чем их рождается в единицу времени. Если это условие не выполняется, то ток экстрактора достигнет тока разряда раньше, чем его потенциал станет равным потенциалу плазмы. Поскольку дальнейший рост тока на экстрактор невозможен, то дальнейшее повышение потенциала экстрактора после достижения тока на нем, равного разрядному, будет сопровождаться соответствующим повышением потенциала плазмы так, что всегда фп > фк, потенциал экстрактора остается ниже потенциала плазмы и ускорение электронов невозможно. Таким образом, предельное граничное условие возможности осуществления отбора и ускорения электронов из плазмы состоит в достижении потенциалом экстрактора потенциала плазмы при токе экстрактора, равного току разряда [15]. Как следует из (1.6), благодаря достаточно большому значению параметра разряда <7, ток коллектора может быть практически равен току разряда при относительно небольшой площади эмиссионной поверхности плазмы. Это явление получило название «эффект переключения тока в плазменном катоде» и широко используется при создании источников электронов с плазменным катодом.