Общая характеристика диссертационной работы.
Актуальность темы
исследований.
Модификация поверхностных слоев материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы является одним из важных направлений развития науки и техники. Постепенно расширяется круг задач и областей применения электронных пучков, ионных пучков и плазменных потоков в научных исследованиях, в промышленности, сельском хозяйстве, экологии. Эта тенденция является отнюдь не случайной, а скорее закономерной. Высокая энергетическая эффективность источников электронных и ионных пучков, генераторов плазмы, широчайший диапазон параметров, экологическая чистота пучково-плазменных технологий (как правило, обработка изделий производится в вакууме) обуславливают существенные преимущества этих технологий по сравнению с традиционными технологиями, а зачастую делают их незаменимыми.
Среди методов поверхностной модификации особое место занимают методы, основанные на использовании импульсных высокоинтенсивных пучков заряженных частиц и высокоскоростных потоков плазмы. Не противопоставляя импульсные методы термообработки поверхности стационарным, отметим, что первые обладают целым спектром новых возможностей и преимуществ:
• кратковременность процесса облучения позволяет сконцентрировать энергию пучка в тонком приповерхностном слое (от долей до десятков микрон), модифицируя его без изменения свойств в объеме материала (изделия);
• высокие скорости нагрева и охлаждения (до Ю10 К/с) позволяют осуществить такие структурно-фазовые превращения в модифицируемом слое, которые невозможно осуществить в стационарном режиме. Например, формировать неравновесные поверхностные сплавы в системах «пленка-подложка», измельчать кристаллическую структуру металлов и сплавов;
• при импульсном плавлении и частичном испарении поверхностного слоя осуществляется его очистка (рафинирование) от нежелательных примесей, инородных включений, растворенных газов, а также сглаживание микрорельефа поверхности.
Вышеперечисленные эффекты, реализуемые при импульсном облучении, позволяют улучшить многие функциональные свойства материалов и изделий: коррозионную стойкость металлов и сплавов, износостойкость режущего инструмента, штампов, узлов трения, усталостную прочность, повысить электрическую прочность вакуумной изоляции в различных высоковольтных устройствах и генераторах мощного СВЧ излучения [1−6].
На рубеже 60−70-х годов прошлого века началось бурное развитие физики и техники генерирования интенсивных пучков заряженных частиц [7−11]. На первом этапе этот процесс, в основном, стимулировался возможным применением пучков для целей инерциального управляемого термоядерного синтеза [12, 13]. Однако по мере того, как стало ясно, что с помощью пучков этой цели достичь не удастся, на первый план стали выходить задачи поверхностной модификации материалов, накачки мощных газовых лазеров, нагрева плазмы в открытых ловушках, генерации мощных импульсов микроволнового и рентгеновского излучения. Для этих целей было создано большое количество разнообразных установок, которые можно разделить на три основных класса:
• источники высокоэнергетических (> 100 кэВ) электронных пучков, включая сильноточные [14−19];
• источники мощных ионных пучков и высокоскоростных потоков плазмы [20−23];
• источники низкоэнергетических (< 40 кэВ) электронных пучков, включая сильноточные [24−35].
Исторически сложилось так, что источники широкоапертурных низкоэнергетических сильноточных электронных пучков (НСЭП) впервые стали разрабатываться для воздействия на полупроводниковые материалы (отжиг ионно-легированных слоев) [24−32]. Ограничение сверху кинетической энергии электронов в данном случае вызывалось не только стремлением к технической простоте источников, но и необходимостью избежать наведения радиационных дефектов в полупроводнике, возникающих при высоких энергиях электронов. Например, для кремния порог появления этих дефектов составляет 120 кэВ [36].
Использование сравнительно небольших (до 40 кВ) ускоряющих напряжений в источниках НСЭП обеспечивает им целый ряд преимуществ по сравнению с конкурентами (источники высокоэнергетических электронных пучков и мощных ионных пучков, а также импульсные лазеры): рентгенобезопасность, простота обеспечения высоковольтной изоляции и, как следствие, лучшая надежность и относительно небольшая стоимость источника.
Электронные пушки первых источников НСЭП, созданных в середине 70-хначале 80-х годов, включали в себя планарный вакуумный диод со взрывоэмиссионным катодом [23−31]. Использование данного вида катодов диктуется.
2 3 2 необходимостью обеспечения высокой плотности тока пучка (10 -10 А/см и более), поскольку другие виды электронной эмиссии не в состоянии это обеспечить.
Обоснование данной величины плотности тока следующее. Параметры электронного пучка определяются толщиной поверхностного слоя, в который должна быть введена энергия, достаточная для его термической обработки. Во многих случаях эта толщина не превышает нескольких микрон, что соответствует глубине пробега в материале электронов с энергией eU= 10−40 кэВ. Чтобы отвод тепла вглубь материала t /9 был несущественен, глубина диффузии тепла хт=(Ырс), выделяемого пучком в мишени, должна быть меньше или порядка пробега электронов (здесь Якоэффициент теплопроводности облучаемого материала, р — его плотность, степлоемкость, т — длительность импульса). Отсюда следует что для подавляющего большинства материалов длительность пучка не должна превышать ~ 10″ 7−10″ 5 с, а плотность энергии должна составлять w ~ 1−10 Дж/см2, что дает в итоге вышеуказанную плотность тока — je ~ 102−103 А/см2. В случаях, когда глубина модифицируемого слоя должна быть больше, могут применяться пучки большей длительности (но с меньшей плотностью тока) и/или большей энергии [34, 37].
Требование высоких значений плотности тока, а значит и полного тока пучка, кроме эмиссионных проблем неизбежно порождает проблемы формирования и транспортировки пучка, связанные с его собственным объемным зарядом и магнитным полем (ограничение тока пучка и деформация распределения плотности тока по сечению).
Источники НСЭП на основе вакуумных диодов, сыграв свою положительную роль на первом этапе исследований, достаточно быстро исчерпали себя (эти источники описаны в § 1.1 Главы 1) — большие неоднородности потока в поперечном сечении, ограниченность длительности импульса на уровне -100 не, низкий ресурс катодавот далеко неполный перечень недостатков этих источников. Анализ сложившейся ситуации привел автора к мысли, что существенного улучшения параметров НСЭП можно добиться путем предварительного заполнения ускоряющего зазора и пространства дрейфа пучка плазмой, т. е. перейти от вакуумных диодов к плазмонаполненным диодам.
Идеи генерирования сильноточных электронных пучков в плазмонаполненных системах восходят еще к работам А. А. Плютго и его группы, выполненным в 60-е годы прошлого столетия [38]. Если ток питающего генератора больше хаотического электронного тока плазмы (т.е. ее эмиссионного тока), то в ней возникает двойной слой со значительным падением потенциала, ускоряющего электроны. На основе этих идей Иремашвили Д. В. с сотрудниками в 70-е годы были созданы первые сильноточные электронные пушки «с холодным катодом и плазменным анодом» на напряжения 60−80 кВ и током до 40−50 кА [39,40]. Также, большой цикл исследований по генерации высокоэнергетических (100−170 кэВ) сильноточных электронных пучков ленточной конфигурации в пушке с плазменным анодом был выполнен в Институте сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН — Баженовым Г. П., Ладыженским О. Б. и их коллегами [41,42]. Значительный вклад в понимание процессов формирования сильноточных электронных пучков в плазмонаполненных системах внесли работы ученых Харьковского государственного университета по исследованию сильноточных «прямых разрядов», выполненные в 70-х — 80-х годах прошлого столетия — Луценко Е. И., Середой Н. Д. и др. [43−45]. В совокупности все эти исследования позволили установить основные закономерности поведения плазмы с концентрацией частиц 10п-1014 см" «3 в сильных импульсных электрических полях, показать определяющую роль двойных слоев объемного заряда, возникающих в плазме, в формировании сильноточных электронных пучков.
Таким образом, автору и его коллегам требовалось ответить на два основных вопроса: возможно ли обеспечить эффективное возбуждение взрывной эмиссии на катоде при существенно более низких уровнях ускоряющего напряжения, чем у предшественников? Возможна ли при этих напряжениях эффективная транспортировка пучка к мишени и приемлемая для технологических целей однородность распределения плотности энергии (тока) по сечению пучка? Тем более что вопрос о приемлемой однородности пучка в предыдущих работах не был решен. В совокупности, это и определило цели и задачи диссертации.
Цели диссертационной работы:
• исследование физических процессов в сильноточных плазмонаполненных электронных пушках при сравнительно невысоких уровнях ускоряющего напряжения (до 40 кВ);
• разработка на этой основе эффективных источников широкоапертурных НСЭП;
• применение данных источников для модификации поверхностных слоев материалов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Показано, что широкоапертурные низкоэнергетические сильноточные электронные пучки эффективно формируются в плазмонаполненных диодах со взрывоэмиссионным катодом, в том числе и в условиях безмасляного вакуума. Предварительное заполнение ускоряющего промежутка и пространства дрейфа пучка.
12 13 3 плазмой умеренной концентрации (Ю'МО" см") обеспечивает не только эмиссию-катода и высокую плотность тока пучка, но и удовлетворительную устойчивость пучка при транспортировке во внешнем ведущем магнитном поле, приемлемые для технологических целей однородность (± 15−20%) и стабильность параметров от импульса к импульсу (± 10−20%).
2. Предложена и реализована оригинальная схема сильноточной электронной пушки, отличающаяся тем, что плазменный анод в ней формируется при объемной ионизации рабочего газа с помощью сильноточного отражательного (пеннинговского) разряда. Катодами разряда при этом служат коллектор и собственно взрывоэмиссионный катод. Внешнее ведущее магнитное поле, служащее для транспортировки пучка, обеспечивает также зажигание и горение отражательного разряда.
3. Исследованы нестационарные процессы в слоях объемного заряда, протекающие в плазмонаполненных диодах при высокой скорости нарастания электрического поля. Получены расчетные зависимости предвзрывной напряженности электрического поля на катоде и плотности тока в двойном слое от времени при условии соизмеримости характерного времени пролета ионом слоя с длительностью фронта импульса напряжения. Результаты расчетов подтверждены экспериментально. Установлено также, что предельная плотность тока ускоренных электронов, проходящих через плоский бесстолкновительный двойной слой в однородной по концентрации плазме, равна половине произведения плотности заряда ионов плазмы на скорость электрона, набираемую им при прохождении двойного слоя: je = 0,5Zena (2eU/m)112 (па — концентрация плазмы, ей тзаряд и масса электрона, Zсредний заряд иона, Uускоряющее напряжение). Данная плотность тока достигается при длительности фронта импульса напряжения много меньшей времени пролета ионом слоя.
4. Исследованы процессы возникновения электронных утечек и развития пробоя в сильноточной электронной пушке с плазменным анодом на основе сильноточного отражательного разряда. Показано, что эти процессы вызваны проникновением плазмы паразитного магнетронпого разряда в пространство между катодом и корпусом пушки. Данные утечки приводят к ограничению длительности импульса тока пучка, причем увеличение радиального зазора между катодом и корпусом пушки не дает адекватного увеличения длительности импульса, в отличие от вакуумных диодов с магнитной изоляцией. Локализация плазмы магнетронного разряда с помощью диафрагм увеличивает длительность импульса и энергию пучка в импульсе в среднем на 10−15%, улучшает чистоту процесса облучения.
5. Обнаружен эффект накопления ионов в приосевой области пучка, обусловленный быстрым ростом концентрации инжектируемых электронов во времени (практически в течение всего импульса), что характерно для сильноточных электронных диодов. Это вызывает появление некомпенсированного отрицательного объемного заряда и, следовательно, радиального электрического поля (в нашем случае до десятков кВ/см) в канале транспортировки пучка, несмотря на присутствие в канале избыточной плазмы. Накопление ионов под действием радиального электрического поля в приосевой области пучка, и, как следствие, увеличение его плотности тока (энергии) в этой области приводит к деформации даже исходно однородного распределения плотности тока. Компенсация этого негативного эффекта, осуществляется путем искусственного понижения концентрации плазмы в приосевой области по сравнению с периферийной областью.
6. Установлено, что ток НСЭП, транспортируемого в плазменном канале в ведущем магнитном поле, определяется не только концентрацией плазмы в канале транспортировки и скоростью движения эмиссионной границы катодной плазмы, но и отношением длительности фронта ускоряющего напряжения к времени пролета ионом двойного слоя (ускоряющего зазора), длиной канала транспортировки, а также геометрией обратного токопровода.
7. Предложен метод, обеспечивающий существенное увеличение ресурса многопроволочного катода и даже его регенерацию в случае предшествующего запыления поверхности катода парами материалов с низкими эмиссионными свойствами. Метод заключается в установке вспомогательной мишени из материала с высокими эмиссионными свойствами в сильных электрических полях на диафрагме, располагаемой между взрывоэмиссионным катодом и анодом отражательного разряда. Пары материала мишени, образующиеся при бомбардировке периферийными электронами пучка, осаждаются на катоде, улучшая его эмиссионные свойства.
Практическая значимость.
1. Полученные научные результаты послужили основой для разработки и создания ряда оригинальных высокоэффективных источников НСЭП, обладающих уникальным набором параметров: при энергии электронов не более 40 кэВ ток пучка достигает 20−25 кА, плотность тока 102−103 А/см2, диаметр пучка до 10 см, длительность импульса до 8 мкс, неоднородность плотности энергии по сечению пучка в пределах ± 15−20%.
2. Созданные источники НСЭП успешно применялись и применяются для научных и технологических целей в Лаборатории вакуумной электроники и Отделе физической электроники ИСЭ СО РАН, а также переданы в Сумской институт модификации поверхности НАН Украины (г. Сумы, Украина), Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ, Москва), Даляньский технологический университет (Китай), японскую частную компанию ITAC Ltd.
3. Создан пилотный образец технологической установки, послуживший основой для мелкосерийного производства (100 штук) опытно-промышленных установок, используемых для финишной обработки (полировки) металлических штампов, а также финишной очистки и полировки металлических зубных протезов. Производство данных установок было осуществлено в 2003;2004 гг. по лицензии и при участии ИСЭ СО РАН японской частной компанией ITAC Ltd по заказу корпорации Sodick, выпускающей электроэрозионные станки. Одна установка была поставлена в крупную японскую стоматологическую фирму Wada Precision Dental Laboratory.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Всесоюзном (с 1992 года Всероссийском) симпозиуме по сильноточной электронике (1982, 1984, 1986, 1988;Томск, 1990 — Екатеринбург, 1992.
— Пермь-Москва, 2000, 2004, 2006 — Томск), Всероссийской конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы (1996, 2000, 2002, 2004, 2006 — Томск), Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (1989 — Новосибирск) Международной конференции по мощным пучкам частиц (1992.
— Вашингтон, США, 1994 — Сан-Диего, США, 1996 — Прага, Чехия, 1998 — Хайфа, Израиль, 2000 — Нагаока, Япония, 2004 — Санкт-Петербург, Россия), Международной конференции по импульсной энергетике (1997 — Балтимор, США), Международном симпозиуме по электроизоляции и разрядам в вакууме (1990 — Санта Фе, США, 1992 -Дармпггадт, ФРГ, 1994 — Москва-Санкт-Петербург, Россия, 1996 — Беркли, США), Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (1991 — Пиза, Италия), Международной конференции по электронно-лучевым технологиям (1988 -Варна, Болгария), Международном симпозиуме по эффектам пространственного заряда в интенсивных низкоэпергетических пучках (1999 — Дубна), Международной конференции по газоразрядной плазме и ее применениям в технологии (2007 — Томск).
Основные результаты диссертации опубликованы в 26 статьях [5, 6, 30, 31, 66, 94, 105, 132, 137, 139, 143, 157, 158, 188, 192, 194−196, 202−204, 207−209, 211, 217] и 20 полнотекстовых докладах [4, 103, 104, 114, 115, 138, 142, 144, 146, 152, 160, 164−166, 172, 179, 189, 190, 202, 221] в трудах конференций и симпозиумов. Новые технические решения, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, защищены 8 российскими патентами и 1 патентом США [106, 135, 149, 150, 159, 205, 206, 223, 224].
Структура и краткое содержание диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, и приложения. Объем диссертации составляет 287 страниц, включая 165 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 226 наименований.
Выводы по Главе 5.
1. Ток НСЭП, транспортируемого в плазменном канале, определяется, прежде всего, концентрацией анодной плазмы и скоростью разлета катодной плазмы. На стадии роста концентрации инжектируемых электронов ток пучка также ограничивается скоростью процесса зарядовой нейтрализации. Ток НСЭП существенно превосходит критические токи пирсовской и пучково-дрейфовой неустойчивостей за счет наличия избыточной плазмы и большой длительности импульса, которая предоставляет достаточное время для нейтрализации заряда пучка. Увеличение диаметра обратного токопровода затрудняет транспортировку пучка.
2. Микронеоднородности плотности тока (энергии) НСЭП существенно меньше, чем в вакуумных диодах, благодаря ряду факторов. К их числу следует отнести большую длительность импульса, большую длину канала транспортировки, подавление эмиссионных центров-лидеров за счет ограничения плотности тока в двойном слое концентрацией анодной плазмы.
3. Падающий (в течение большей части импульса) характер «вольтамперной» характеристики сильноточных диодов вызывает появление некомпенсированного отрицательного объемного заряда в плазменном канале транспортировки НСЭП. Это, в свою очередь, приводит к накоплению ионов в приосевой области НСЭП, и, как следствие, к увеличению плотности тока (энергии) НСЭП в приосевой области. В случае НСЭП цилиндрической формы распределение плотности энергии приобретает колоколообразный характер. Улучшение однородности распределения плотности энергии по сечению пучка в этом случае достигается искусственным понилсением концентрации плазмы в приосевой области по сравнению с периферийной областью.
4. В процессе транспортировки НСЭП наблюдаются потери части его кинетической энергии. Эти потери наблюдаются, как правило, в начальной части импульса, а затем они прекращаются по мере поступления в канал дрейфа коллекторной плазмы и дополнительной ионизации анодной плазмы, остаточного и рабочего газа. Наибольшие потери наблюдаются, когда концентрация анодной плазмы сравнима с концентрацией электронов пучка. В энергетическом балансе пучка суммарные потери составляют в среднем 10−20% от его полной кинетической энергии, и таким образом, не играют существенной роли с точки зрения процесса электронно-пучковой обработки материалов.
ГЛАВА 6.
