Формування квазістаціонарних подвійних шарів в пучково-плазмових системах

Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ФОРМУВАННЯ КВАЗІСТАЦІОНАРНИХ ПОДВІЙНИХ ШАРІВ В

ПУЧКОВО-ПЛАЗМОВИХ СИСТЕМАХ

СЕРЕДА Костянтин Миколайович

Харків - 1999

Вступ

Актуальність теми. Проблема отримання потужних пучків заряджених частинок займає значне місце в сучасній фізиці плазми. Вони мають велике значення в дослідженнях з керованого термоядерного синтезу, в сильнострумових прискорювачах заряджених частинок, в плазмовій електроніці, в різноманітних технологічних процесах обробки поверхні твердого тіла - травленні, осадженні покриттів, іонній імплантації і модифікації поверхні.

Особливе місце серед методів генерації пучків заряджених частинок займає метод формування й прискорення пучків в об'ємі плазми газового розряду. Це обумовлюється тим фактом, що параметрами пучка, що генерується, можна досить легко керувати за допомогою зміни параметрів плазми. Серед великої кількості газорозрядних джерел іонів, що існують на цей час та розробляються, особливу зацікавленість викликають джерела на базі пучково-плазмового розряду. Вибір цього типу розряду обумовлюється цілим рядом корисних, з практичної точки зору, властивостей такого розряду. Серед них: 1) високий ступінь іонізації робочої речовини (до 100%), 2) мала кількість домішок через об'ємний характер розряду, 3) висока концентрація плазми, 4) низький тиск робочого газу, 5) можливість формування високо енергетичних пучків заряджених частинок з великими щільностями струму. Одним з методів формування пучків заряджених частинок в пучково-плазмовому розряді є метод прискорення заряджених частинок в об'ємі плазми, коли в розряді відбувається обмеження струму великим активним опором, що виникає при досягненні струмом розряду деякого критичного значення. При цьому в таких системах має місце формування сильного подвійного електричного шару, в якому концентрується майже вся прикладена до розряду різниця потенціалів. В електричному полі подвійного шару відбувається прискорення зустрічних іонного й електронного пучків. Експерименти з генерації пучків заряджених частинок в електричному полі подвійного шару показали високу ефективність цього методу, оскільки був досягнений високий коефіцієнт трансформації енергії зовнішнього електричного поля в енергію направленого руху пучків. Крім того, завдяки пучково-плазмовій взаємодії, підтримується висока концентрація плазми, що в свою чергу сприяє отриманню пучків з високими щільностями струму. Однак, на сьогоднішній день, в сильнострумових розрядах, внаслідок нестаціонарних розрядних процесів, спостерігались лише динамічні подвійні шари, які, наприклад, рухаються вздовж розрядного проміжку. Цей факт робить трудним застосування сильнострумового розряду з подвійним шаром як прискорюючої системи в іонних джерелах. В останній час інтенсивно досліджуються методи просторової стабілізації сильних подвійних електричних шарів для їх використання як іонно-оптичної прискорюючої системи. Однак з методів стабілізації таких шарів інтенсивно досліджувались лише метод стабілізації диференціальною відкачкою розрядного проміжку, метод стабілізації шляхом внесення в плазму додаткових електродів, і метод стабілізації звуженням розрядного проміжку. Але, очевидна складність і громіздкість пристрою з диференціальною відкачкою роблять складним його використання як іонного джерела. Наявність в активній області розряду додатних електродів також обмежує можливість використання таких систем як іонного джерела, оскільки при електродні процеси зумовлюють в пучку, що формується, наявність домішок, а спроба сформувати скільки-небудь потужний пучок призводе до руйнування додаткового електрода. Крім того, тривалість існування подвійного електричного шару та його вплив на розрядні процеси на цей час залишаються практично недослідженими. В експериментах з дослідження формування подвійного шару в області звуження розрядного проміжку були отримані лише слабі подвійні шари, що виникають в позитивному стовбурі, що ставило задачу подальших досліджень в цьому напрямку. Таким чином, на цей час, отримання стаціонарних подвійних шарів обмежується декількома методами, причому в більшості цих досліджень подвійний шар розглядається як окреме явище, а вплив інших процесів, що відбуваються в розряді, і зворотний вплив подвійного шару на розрядні процеси не враховується. Отже питання отримання сильних подвійних шарів, стабілізованих в об'ємі плазми газового розряду, і генерації в електричному полі подвійних шарів пучків заряджених частинок є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота пов'язана з дослідженнями, які проводяться на кафедрі фізики плазми фізико-технічного факультету ХДУ: 1) Дослідження процесів генерації, прискорення потоків заряджених частинок і формування функціональних покриттів в пучково-плазмовому розряді (ППР) (номер держреєстрації 0197U002452); 2) Дослідження процесів нелінійної взаємодії хвиль та часток в пучково-плазмових системах та системах з схрещеними полями (номер держреєстрації 0196U002496).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є комплексні експериментальні й теоретичні дослідження динаміки протікання сильнострумового розряду низького тиску з просторово стабілізованим подвійним електричним шаром і формування в електричному полі подвійного шару пучків заряджених частинок для з'ясування процесів, що відбуваються в газовому розряді під час формування сильного подвійного електричного шару і прискорення в ньому заряджених частинок з метою використання пучково-плазмових систем в наукових і технологічних цілях.

Для досягнення цієї мети було потрібно вирішити такі задачі:

на базі трьох експериментальних установок відпрацювати методику вимірювань внутрішніх параметрів плазми, а також їх просторового розподілу й часової динаміки в процесі протікання як стаціонарного, так і імпульсного розряду й виготовити діагностичний комплекс;

виконати одночасні вимірювання зовнішніх й внутрішніх параметрів плазми, які б давали повну картину процесів, що відбуваються в розряді;

провести детальний аналіз різних елементарних й колективних процесів і виявити їх вплив на формування й стабілізацію в об'ємі плазми подвійних електричних шарів;

на основі вирішення експериментальних задач і теоретичних оцінок розвинути теоретичну модель, яка б описувала динаміку створення, існування й руйнування різних подвійних електричних шарів.

Наукова новизна одержаних результатів. В процесі написання дисертації отримано результати експериментального і теоретичного дослідження формування сильного подвійного електричного шару, стабілізованого в об'ємі сильнострумового прямого розряду, за допомогою різних методів.

Вперше отримано сильний подвійний електричний шар, стабілізований в об'ємі імпульсного сильнострумового прямого розряду за допомогою неоднорідності перерізу розрядного проміжку. Досліджено формування в такому шарі об'ємного заряду електронного і іонного пучків. На базі експериментального пристрою створено джерело іонів з анодом, що випаровується електронним пучком.

Вперше експериментально і теоретично досліджено формування подвійного електричного шару в об'ємі плазми імпульсного сильнострумового розряду за допомогою інверсії напрямку зовнішнього магнітного поля. Відстежений повний цикл процесів, що відбуваються в розряді при формуванні і стабілізації подвійного шару.

Отримано формування в електричному полі подвійного шару потужного іонного пучка.

Запропонована модель формування квазістаціонарного подвійного шару в об'ємі розряду й повної картини процесів, що відбуваються при цьому в розряді. Запропонований механізм пробою магнітного бар'єру й руйнування подвійного шару в місці інверсії напрямку магнітного поля.

Експериментально досліджено формування в пучково-плазмових системах при електродного вторинно-емісійного подвійного електричного шару біля поверхні катоду під впливом бомбардування електронним пучком.

Запропонована теоретична модель, яка дає опис процесів в при електродному вторинно-емісійному подвійному шарі.

Експериментально досліджено режими обробки діелектричних поверхонь в пучково-плазмових системах і запропоновано нову методику плазмової обробки таких поверхонь.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, які одержано автором, мають значення для розвитку фізики плазми, фізики газового розряду, фізики пучків заряджених частинок, сучасних технологій. Вони можуть бути як основою для проведення подальших експериментів та інтерпретації їх результатів, так і для безпосереднього використання в роботах прикладного характеру.

Вивчені у дисертаційній роботі методи формування квазістаціонарних подвійних електричних шарів в об'ємі плазми газового розряду можуть бути використані при розробці й будуванні нового покоління джерел заряджених частинок, які мають ряд переваг перед існуючими джерелами та прискорюючими системами.

Запропоновано теоретичну модель, що описує процеси в плазмово-пучкових системах при формуванні подвійних електричних шарів, яка може бути використана під час інтерпретації результатів подальших експериментів у цій галузі.

Запропоновано механізм електричного пробою і струмоперенісу через магнітний бар'єр, який може бути використаний для експериментальних і теоретичних досліджень різноманітних магнітних пасток.

Вивчене у дисертаційній роботі формування при електродного вторинно-емісійного подвійного шару може бути використане при проектуванні й розробці приладів на базі пучково-плазмових систем.

Запропонована методика обробки діелектричних поверхонь в пучково-плазмових системах може бути використана при розробці технології нанесення або травлення тонких функціональних й декоративних покриттів в мікроелектроніці, оптоелектроніці й машинобудуванні.

Особистий внесок здобувача. У праці, опубліковані за темою дисертаційної роботи, здобувач особисто зробив такі внески:

Підготував й провів експерименти з формування й стабілізації сильного подвійного електричного шару в об'ємі сильнострумового прямого розряду за допомогою неоднорідності перерізу розрядного проміжку.

Підготував й провів цикл експериментів з дослідження процесів, що відбуваються в прямому імпульсному сильнострумовому розряді при формуванні стабілізованого в об'ємі плазми сильного подвійного електричного шару.

Дослідив формування пучків заряджених частинок в електричному полі подвійного шару, стабілізованого в об'ємі плазми газового розряду за допомогою інверсії напрямку зовнішнього магнітного поля.

У теоретичній моделі, що описує формування подвійного електричного шару стабілізованого в об'ємі плазми газового розряду за допомогою інверсії напрямку магнітного поля отримав вирази для повздовжнього розподілу потенціалу плазми в анодній, катодній частині розрядного проміжку й в області інверсії магнітного поля.

Запропонував механізм пробою магнітного бар'єра й руйнування подвійного електричного шару в прямому розряді.

Підготував й провів цикл експериментів з дослідження формування при електродного вторинно-емісійного подвійного електричного шару біля поверхні катоду, який бомбардується електронним пучком.

Запропонував теоретичний опис й обчислив повздовжній розподіл електростатичного потенціалу в при електродному вторинно-емісійному подвійному електричному шарі й отримав вираз для ефективного коефіцієнту вторинної емісії.

Дослідив режими обробки діелектричних поверхонь в пучково-плазмових системах й запропонував нову методику обробки таких поверхонь.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній Конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1995), 6^th International Conference on Ion Sources 1995 (ICIS'95, Whistler, B.C. Canada, 1995), 11^th International Conference on High Power Particle Beams (BEAMS'96) (Prague, Czech. Republic., 1995), The 23^rd IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS'96, Boston, Massachusetts, USA, 1996), 7^th International Conference on Ion Sources (ICIS'97, Taormina, Italy, 1997), 1998 International Congress on Plasma Physics combined with the 25^th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (1998 ICPP, Prague, Czech. Republic., 1998), VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion as a Section of Conference “Physics in Ukraine” (Alushta, Crimea, Ukraine, 1998).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 6 статтях та у працях перелічених вище конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел з 167 найменувань. Обсяг дисертації складає 148 сторінок, у тому числі 27 ілюстрацій.

магнітний імпульсний електронний

1. Діагностичні засоби вивчення фізичних властивостей подвійних електричних шарів

У вступі викладено сучасний стан досліджень у напрямку вивчення фізичних властивостей подвійних електричних шарів у газорозрядній плазмі, формування в них потоків заряджених частинок та обгрунтовано необхідність проведення таких досліджень.

У першому розділі дається опис експериментальних установок, методик проведення експериментів, а також описуються діагностичні засоби.

У підрозділі 1.1 дається опис трьох експериментальних установок: установок з перепадом перерізу розрядного проміжку та з інверсією напрямку зовнішнього магнітного поля (ПР-3) - для дослідження формування і стабілізації сильного подвійного електричного шару в місті звужування плазмового каналу і в області інверсії й генерації в електричному полі подвійного шару пучків заряджених частинок; установки для дослідження формування при електродного вторинно-емісійного подвійного шару біля поверхні, що бомбардується електронним пучком (ПР - 2).

У підрозділі 1.2 дається опис діагностичних засобів, що використовувались в експериментах.

2. Формування і стабілізація подвійного електричного шару

У другому розділі надаються результати досліджень з формування і стабілізації сильного подвійного електричного шару в об'ємі плазми сильнострумового імпульсного прямого розряду низького тиску за допомогою перепаду перерізу розрядного проміжку.

У підрозділі 2.1 досліджується формування і стабілізація сильного подвійного електричного шару в місті перепаду перерізу розрядного проміжку, генерація в електричному полі подвійного шару електронного й іонного пучків. Пропонується схема джерела іонів з анодом, що випаровується електронним пучком.

У підрозділі 2.2 надаються короткі висновки де говориться, що звуження розрядного проміжку забезпечує формування і стабілізацію подвійного електричного шару, на якому відбувається падіння практично всієї прикладеної до розрядного проміжку напруги. А також робиться висновок, що при екстракції з розрядного проміжку лише іонного пучка можливо корисне використання енергії, що вкладається в електронний пучок, для випаровування матеріалу аноду й отримання пучка іонів різних твердих й тугоплавких матеріалів.

3. Протікання імпульсного прямого сильнострумового розряду з інверсією зовнішнього магнітного поля

У третьому розділі вивчається можливість формування й стабілізації сильного подвійного шару в об'ємі плазми прямого сильнострумового розряду з інверсією зовнішнього магнітного поля.

У підрозділі 3.1 надаються результати експериментальних досліджень протікання імпульсного прямого сильнострумового розряду з інверсією зовнішнього магнітного поля і формування в об'ємі плазми цього розряду просторово стабілізованого подвійного електричного шару в умовах коли щільна плазма завчасно існує в анодній або катодній областях розрядного проміжку. Досліджується формування в електричному полі подвійного шару пучків іонів.

У підрозділі 3.2 надається теоретична модель, яка дає опис процесів, що супроводжують формування подвійного електричного шару і генерацію пучків заряджених частинок в замагніченій плазмі в зовнішньому електричному полі.

У пункті 3.2.1 розглядається розподіл потенціалу плазми у випадку низької концентрації плазми в при катодній області.

У пункті 3.2.2 розглядається формування в місті інверсії магнітного поля подвійного шару частково прозорого для електронів.

У пункті 3.2.3 розглядається пригнічення магнітного бар'єру і його прозорість для швидких електронів, пропонується механізм руйнування подвійного електричного шару в місті інверсії напрямку магнітного поля.

У підрозділі 3.3 надаються короткі висновки де говориться, що прямий високовольтний розряд низького тиску з електричним полем, яке відірване від електродів, є простою і ефективною системою для формування іонних пучків. Отримані результати показують, що магнітний бар'єр ефективно забезпечує просторову й часову стабілізацію подвійного електричного шару і дозволяє керувати місцем і часом виникнення подвійного шару і тривалістю його існування. Оптимальні умови для генерації іонного пучка складаються у випадку формування щільної плазми в катодній області розрядного проміжку.

4. Емісійні характеристики пограничного шару

У четвертому розділі досліджуються емісійні характеристики пограничного шару, що виникає в пучково-плазмовій системі на границі плазма-электрод в присутності вторинної емісії електронів під впливом електронного пучка.

У підрозділі 4.1 надається теоретична модель, яка описує процеси, що відбуваються в при електродному шарі. Для теоретичного опису пограничного шару використовується модель шару Ленгмюра з врахуванням наявності електронного пучка.

У підрозділі 4.2 наводяться результати експериментального дослідження режимів роботи пучково-плазмової системи з при електродним подвійним шаром і без нього. Вторинно-емісійний пограничний шар досліджується за допомогою пробного потоку термоелектронів, що інжектується з боку електрода-токоприймача.

У підрозділі 4.3 наводяться результати експериментального дослідження пограничного шару в пучково-плазмовій системі біля електрично ізольованої поверхні.

У підрозділі 4.4 описується технологічне джерело синтезованого іон-електронного потоку і досліджується нова методика обробки діелектричних поверхонь в пучково-плазмових системах.

У підрозділі 4.5 надаються короткі висновки, де говориться, що в пучково-плазмовій системі біля поверхні електроду можливо формування подвійного електричного шару: біля поверхні електроду концентрація електронів перевищує концентрацію позитивних іонів за рахунок вторинної емісії під впливом бомбардування поверхні потоками заряджених частинок, а у границі шар-плазма концентрація іонів перевищує концентрацію електронів.

У висновках викладено основні результати роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі отримано наступні результати:

Отриманий сильний подвійний електричний шар, стабілізований в об'ємі імпульсного сильнострумового прямого розряду за допомогою неоднорідності перерізу розрядного проміжку. Досліджено формування в такому шарі падіння потенціалу електронного і іонного пучків. На базі експериментального пристрою створено джерело іонів з анодом, що випаровується.

Вперше досліджено формування сильного подвійного електричного шару в об'ємі плазми імпульсного сильнострумового розряду за допомогою інверсії напрямку зовнішнього магнітного поля. Отримана повна картина процесів, що відбуваються в розряді при формуванні квазістаціонарного подвійного шару, під час його існування і при його зникненні.

Отримано й вивчено формування в електричному полі квазістаціонарного подвійного шару потужного пучка іонів.

Запропонована проста теоретична модель, яка дає опис процесів, що відбуваються в сильнострумовому розряді при формуванні і стабілізації подвійного електричного шару. Запропонований механізм пробою магнітного бар'єру й руйнування подвійного електричного шару в області інверсії напрямку магнітного поля.

Експериментально досліджено формування в пучково-плазмових системах при електродного вторинно-емісійного подвійного електричного шару біля поверхні електроду під впливом бомбардування електронним пучком.

Запропонована проста теоретична модель, яка дає опис процесів, що відбуваються в при електродному вторинно-емісійному подвійному електричному шарі.

Експериментально досліджені процеси, що відбуваються в пучково-плазмових системах в при поверхневих областях у випадку діелектричної поверхні. Досліджені режими обробки діелектричних поверхонь в пучково-плазмових системах. Запропонована нова методика плазмової обробки діелектричних поверхонь.

Література

А.А. Бизюков, К.Н. Середа, Н.Д. Середа, В.В. Слепцов, Б.Н. Перевозчиков. Сильноточный импульсный источник ионов с испаряемым анодом. // Приборы и техника эксперимента. 1996. №6, с. 112-114.

A.A. Bizioukov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda, A.Ph. Tseluyko, N.N. Yunakov. Multichannel source of synthesized ion-electron flow. // Review of Scientific Instruments. Vol. 67, №12. December 1996, p.p. 4117-4119.

А.А. Бизюков, Вл.В. Бобков, А.Е. Кашаба, К.Н. Середа, И.К. Тарасов. Особенности газофазного осаждения покрытий в пучково-плазменных системах. // Вісник Харківського держуніверситету, № 421, Серія фізична “Ядра, частинки, поля”, 1998, с. 169-171.

А.А. Бизюков, К.Н. Середа. Формирование ионного пучка в поле двойного электрического слоя. // Вісник Харківського держуніверситету, № 421, Серія фізична “Ядра, частинки, поля”, 1998, с. 153-156.

А.А. Бизюков, А.Е. Кашаба, К.Н. Середа. Вторично-эмиссионный приэлектродный двойной электрический слой в пучково-плазменной системе. // Вісник Харківського держуніверситету, № 421, Серія фізична “Ядра, частинки, поля”, 1998, с. 172-178.

А.А. Бизюков, К. Н.Середа. Формирование ионного пучка в поле двойного электрического слоя. // Вопросы Атомной Науки и Техники, вып. 6(7), 7(8), 1998, с. 145-147.

A.A. Bizukov, V.V. Sleptsov, K.N. Sereda. P-CVD method in plasma-beam systems. // V Міжнародна Конференція з фізики і технології тонких плівок, Матеріали, I частина, с.39, Україна, Івано-Франківськ, 3-6 жовтня 1995.

A.A. Bizyukov, Vl.V. Bobkov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda. Features of coating deposition in beam-plasma system. // 1998 International Congress on Plasma Physics combined with the 25^th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. June 29 - July 3 1998, Prague (1998 ICPP). Part II, P4.222, p. 909.

A.A. Bizyukov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda, N.D. Sereda, V.I. Maslov. Ion beam formation in high current pulsed discharge. // VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion as a Section of Conference “Physics in Ukraine”, Alushta (Crimea, Ukraine), September 14-20, 1998. Book of Abstracts, p. 113.

A.A. Bizyukov, Vl.V. Bobkov, K.N. Sereda, A.Y. Kashaba, I.K. Tarasov. Features of carbon coating deposition in beam-plasma discharge. // VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion as a Section of Conference “Physics in Ukraine”, Alushta (Crimea, Ukraine), September 14-20, 1998. Book of Abstracts, p. 139.

Размещено на Allbest.ru