Presentation - Институт Ядерной Физики им.Г.И.Будкера СО РАН

Озур Григорий Евгеньевич
ИСТОЧНИКИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
НА ОСНОВЕ ПУШЕК С ПЛАЗМЕННЫМ АНОДОМ
И ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
Доклад по материалам диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
(05.27.02 – вакуумная и плазменная электроника)
Научный консультант: д.ф.-м.н., проф. Проскуровский Д.И.
Институт сильноточной электроники СО РАН
г. Томск – 2008 г.
Область применения низкоэнергетических сильноточных
электронных пучков (НСЭП) – модификация поверхностных
слоев материалов путем импульсного нагрева.
Параметры пучка.
• Параметры пучка определяются толщиной поверхностного слоя,
в который должна быть введена энергия, достаточная для его
термической обработки (плавления и частичного испарения).
• Во многих случаях эта толщина не превышает долей-единиц
микрон, что соответствует глубине пробега в материале
электронов с энергией eU = 10-40 кэВ.
• Другим параметром, определяющим толщину слоя является
глубина диффузии тепла xT = (λτи/ρc)1/2.
• Отсюда следует, что для большинства материалов длительность
пучка должна составлять τи ~ 10-7-10-5 с, а плотность энергии
w ~ 1-10 Дж/см2.
• Следовательно, плотность тока – je ~ 102-103 А/см2. Такая
плотность тока на большой площади (S ~ 10 см2 и более) может
быть обеспечена взрывоэмиссионными катодами.
2
Схемы сильноточных электронных пушек
На базе вакуумного диода. 1 – катод; 2 –
сетчатый анод; 3 – коллектор; 4 –
изолятор; 5 – катодная плазма.
Eк = U/d. U – напряжение, d – зазор
«катод-анод». Требуемое Eк – не менее
300 кВ/см, т.е. d ≈ 1-1,5 мм, а τи~ 100 нс.
je ≈ 1,852,3310-6U3/2/(d-vt)2,
(1)
v ≈ 2 см/мкс – скорость катодной
плазмы.
Bz
5
4
-U
3
2
1
е
d
Bz
5
4
3
2
1
-U
ДС
6
е
8
dсл
На базе плазмонаполненного диода.
2 – анодный узел; 6 – анодная плазма; 7
– искровые источники; 8 – диафрагма.
Eк  (2enaU/0)1/2 , dсл ≈ (20 U/ena)1/2
na - концентрация анодной плазмы
(~1012-1013 см-3). Поскольку dсл << d, то
можно увеличить длительность
импульса пучка.
7
1/ 2
3/ 2
M 
6 U
je  1,85  2,33  10

j

i
(2)
d сл2
m
 
3
Цели и задачи работы
Источники НСЭП на основе вакуумных диодов имеют ряд недостатков:
большие неоднородности потока в поперечном сечении, ограниченность
длительности импульса на уровне ~ 100 нс, низкий ресурс катода, проблема
деформационной стойкости сетки.
Источники СЭП с плазменным анодом, созданные к началу работы
(Иремашвили и др., Баженов и др.) имели ускоряющее напряжение 60 кВ и
более, пучки были неоднородными, ведущее магнитное поле отсутствовало.
Два основных вопроса: возможно ли обеспечить эффективное возбуждение
взрывной эмиссии на катоде при существенно более низких уровнях
ускоряющего напряжения? Возможно ли при этом получить пучок с
достаточным током и эффективно транспортировать его к мишени, обеспечив
также приемлемую для технологических целей однородность распределения
плотности энергии (тока) по сечению пучка?
Цели работы:
•исследование физических процессов в сильноточных плазмонаполненных
электронных пушках при сравнительно невысоких уровнях ускоряющего
напряжения (до 40 кВ);
•разработка на этой основе источников широкоапертурных НСЭП с
приемлемыми параметрами;
•применение данных источников для модификации поверхностных слоев
материалов.
4
Структура диссертации
Генерация НСЭП представляет собой неразрывную триаду
физических процессов, включающую эмиссию электронов,
формирование пучка и его транспортировку. В соответствии с этим
организована структура диссертации.
•Введение
•Глава 1. Обзор литературы по источникам интенсивных ЭП.
•Глава 2. Формирование плазменного анода.
•Глава 3. Возбуждение ВЭ в плазмонаполненном диоде.
•Глава 4. Формирование НСЭП в плазмонаполненном диоде.
•Глава 5. Транспортировка НСЭП в плазменном канале.
•Глава 6. Источники НСЭП и их применение…
•Заключение
•Приложение
•Список литературы
5
Формирование плазменного анода.
Искровые источники.
Движение плазмоида поперек
магнитного поля [W.H. Bostik].
2,5 кА, 4 кЭ.
Распределения концентрации анодной плазмы
по радиусу для различных значений диаметра
отверстия в анодной диафрагме: 1 – Ø20 мм; 2
- Ø25 мм; 3 - Ø30 мм. Диаметр анода – 34 мм.
Расстояние от зондов до диафрагмы – 2 см,
12 искр, общий ток в искровых источниках –
800 А. Н = 1 кЭ.
6
Формирование плазменного анода.
Сильноточный отражательный разряд.
Основание - работы ИЯФ СО РАН
(Аржанников, Койдан и др.)
1- плазма основного (пеннинговского) разряда, 2 плазма магнетронной области разряда; 3 – катод;
4 - анод; 5 - коллектор; 6 - корпус; 7 – изолятор,
L = 300 мкГн, Rsh - шунты.
1. Ток ОР в сильноточной стадии слабо
зависит как от р, так и от Н.
2. Значения τd зависят не только от
давления, но и от состояния поверхности
катода и коллектора. Способ откачки влияет
менее существенно.
3. Разброс τd – не более 6-10%.
7
Формирование плазменного анода.
Сильноточный отражательный разряд.
Распределения плотности ионного
тока насыщения и концентрации
ионов в различные моменты времени
от начала тока разряда. Давление
аргона – 0,06 Па, амплитуда тока
разряда 80 А (вверху) и 150 А
(внизу), В = 0,1 Тл.
С ростом тока разряда средняя
плотность ионного тока на катоды
увеличивается, но медленно –
ji ~ (Id)α, где α ≈ 0,4.
8
Эмиссия. Расчеты напряженности электрического поля на катоде в
нестационарном слое объемного заряда ионов.
•1. τф « τп («ионно-матричный» слой);
•2. τф » τп (квазистационарный слой);
•3. τф ~ τп (нестационарный слой).
•Ек1 = (2enaU0/ε0)1/2 ;
(3)
•Ек2 = 2(0,4na/ε0)1/2(eU0kTe)1/4;
(4)
•Ек1/Ек2 = (1,56·eU0/kTe)1/4 ≈ 10-12;
•Ек3 - ? - Необходимы численные
расчеты.
(5)
Фронт напряжения считался
линейным.
U(t) = U0(t/ τф ) при t ≤ τф ;
U(t) = U0
при t > τф .
9
Эмиссия. Расчеты напряженности электрического поля на
катоде и их экспериментальная проверка.
40 нс, 10-40 кВ
Плазмонаполненный диод. 5 – плазменный
анод, 6 – искровые источники. С = 20 мкФ.
40 нс, 10-40 кВ
Измерение вероятности пробоя в вакуумном
диоде. 1 – катод, 2 – сетчатый анод, 3 –
коллектор; 4 – стенка камеры. dкатод-анод =
1мм.
(1 и 3) - ПНД, (2 и 4) – ВД. (1; 2) – катод
из углеграфита ТКМ-0,2; (3; 4) – нерж.
сталь.
10
Эмиссия. Улучшение работы катода.
(предымпульс, резистивная развязка эмиттеров)
Схема генератора с предымпульсом. Сн = 0,1-0,4 мкФ;
Р1, Р2 – разрядники; Сп = 50 пФ; ФЛ – формирующая
линия; ПЛ – передающая линия.
Свечение катодной плазмы. Катод из
резисторов ТВО-0,125. Øкатода = 1,6 см.
Плазменный анод на основе искровых
источников.
Достаточно Δφ = IэRэ ≈ 100-200 В.
Предымпульс и/или резистивная развязка
обеспечивают надежную работу ВЭ-катода.
Ud (нижние лучи) и -Id (верхние лучи,
инвертированы): а – U+ = 25 кВ; б – U+ = 0.
11
Эмиссия. Работа многопроволочного медного катода в безмасляном вакууме.
Плазменный анод на основе сильноточного отражательного разряда в аргоне.
300 А
Ud (Ch1; 5,3 кВ/дел) и Ib (Ch3; 600 А/дел).
na ≈ 31012 см-3, 0,06 Па, 1,25 кЭ.
Время запаздывания от зарядного
напряжения ГВИ. na ≈ 2,51012 см-3.
1 – диф. насос, 2 – ТМН.
Время запаздывания от концентрации
плазмы. Uch = 20 кВ. 0,06 Па, 1,25 кЭ.
Время запаздывания от U0,9. na ≈ 4,21012 см-3.
0,06 Па, 1,25 кЭ. ТМН.
12
Эмиссия. Некоторые выводы.
1. Полученные расчетные зависимости Ек(t) позволяют с
точностью в десятки процентов оценивать среднее (без
учета усиления на остриях) значение Ек в
нестационарном прикатодном ионном слое.
2. При ускоряющих напряжениях в десятки киловольт,
длительности фронта в десятки нс и na=1012-1013 см-3 Ек
не превышает 300-400 кВ/см, что требует
дополнительных мер для обеспечения стабильной и
однородной эмиссии катода.
3. В сильноточных ПНД плотность ионного тока на катод
и вакуумные условия играют не менее важную роль в
образовании эмиссионных центров, чем амплитуда
ускоряющего напряжения.
Для улучшения эмиссии катода в плазмонаполненных
Автограф пучка на Ti фольге. Uch = 28 кВ, 4.
диодах весьма эффективны методы, известные из
pAr = 0,06 Па, 1 кЭ, w = 6 Дж/см2.
экспериментов с вакуумными диодами: использование
эмитирующих элементов с малыми радиусами
кривизны, резистивная развязка эмиттеров. Наряду с
этими мерами в плазмонаполненных диодах возможны
дополнительные меры, повышающие стабильность
эмиссии и ресурс катода, например, локальное
увеличение концентрации плазмы у катода, увеличение
массы ионов анодной плазмы. В итоге удалось
добиться того, что ток появляется уже на фронте
напряжения.
Таким образом, предварительное заполнение диода
плазмой умеренной концентрации (~ 1012-1013 см-3)
обеспечивает работу взрывоэмиссионного катода
большой площади при весьма низких (~ 10-30 кВ)
Автографы пучка на винипрозе: а) – ПНД, длина ускоряющих напряжениях с приемлемой
стабильностью и однородностью. Тем самым была
канала дрейфа – 10 см; б) – вакуумный диод
заложена основа для создания источников
(установка «Отжиг-1»), длина канала
широкоапертурных НСЭП.
дрейфа – 0,9 см. 3 кЭ.
13
Формирование НСЭП. Начальная стадия протекания тока в ПНД.
(1-3) – расчет (4-6) – эксперимент. U0 = 10 (1; 4),
20 (2; 5) и 30 кВ (3; 6). na = 1012 см-3; τф = 8 нс, С+.
je1  ena eU 0 2m
1/ 2
 eU 
je1
 1,25 0 
je 0
 kTe 
1/ 2
vпл = 8 см/мкс
(Пунктир – расчетная осциллограмма)
предельная плотность
тока при идеальном
фронте U.
(6) -
je0 = jia×(M/m)1/2


2kTe

jia  en a  0,4
 v a 
M


(7)
(8)
Расчет для различных τф: 1 (1), 3 (2),
8 (3) и 16 нс (4). na = 1012 см-3; С+.
14
Формирование НСЭП.
Квазистационарная стадия протекания тока в ПНД.
1 - катод; 2 – анод с искровыми источниками; 3 – коллектор;
4 – зонд; 5 – катодная плазма; 6 – анодная плазма.
Движение катодной плазмы является
важным для протекания тока в диоде –
благодаря этому движению всё новые
слои анодной плазмы включаются в
перенос тока. Скорость катодной плазмы,
по нашим измерениям – 2,2-2,5 см/мкс.
Рост тока на стадии III обусловлен
появлением плотной плазмы на кромке
анодной диафрагмы.
Осциллограммы потенциала зонда, -φз и напряжения
на диоде, Uд, при различных расстояниях между
катодом и зондом: lк-з = 0,6 см (а); 1 см (б) и 1,5 см (в).
Вертикальные развертки: 3 кВ/дел и 7 кВ/дел (а),
1,6 кВ/дел и 7 кВ/дел (б), 0,3 кВ/дел и 7 кВ/дел (в).
Горизонтальная развертка – 100 нс/дел.
m
t з с    
M 
1/ 2
e 1
10 5

 i je je А / см 2 
(Абдуллин Э.Н., Баженов Г.П. и др.)
(9)
15
Формирование НСЭП. Ограничение длительности импульса.
Утечки электронного тока в радиальном направлении.
Оплавленный
«поясок»
1-катод; 2-анод; 3-коллектор пучка; 4-пристеночный
коллектор; 5-изолятор; 6-катодная плазма;
7-плазма пеннинговского разряда; 8-плазма
магнетронного разряда; 9- «плавающий» зонд.
Внутренняя поверхность корпуса пушки после
300 импульсов. U0 = 20 кВ, Н = 1,2 кЭ.
1. Практически с самого начала импульса
Ib < Id , с течением времени различие нарастает.
и
2. По калориметру
Wb  0,5  U d (t ) I d (t )dt
0
3. Между катодом и стенкой имеются плазма
и газ (аргон) при давлении ~ 0,05 Па.
16
Формирование НСЭП. Утечки электронного тока в
радиальном направлении (продолжение).
1-коллектор; 2-катод (Ø60); 3-анод; 4-стенка; 5-соленоид;
6-КП; 7-АП; 8-датчик давления; I, II, III и IV-пристеночные
коллектора; 9 – генератор высоковольтных импульсов.
Зависимости Ib1, Ib2, Id2 и JC на коллектор III, ( Z= - 4 cм),
от зарядного напряжения ГВИ. 0,033 Па, 2 кЭ, 42 cм.
Основные потери тока определяются утечками в
области взрывоэмиссионного катода. Это
коррелирует с наличием оплавленного пояска на
стенке корпуса пушки.
При давлении < 0,01 Па появляются значительные
утечки в области коллектора.
1 - ток катода, 2 - ток пучка, 3-уск. напряжение; (4-8) средняя
плотность тока на пристеночные коллектора: (4) – к-р II при
Z=+33 см, 5 и 6 – к-р IV при Z= -16,5 (5) и -12,5 см (6), (7 и 8)к-р III при Z =- 4 (7), и +3 см (8). 14 кВ, 1,4 кЭ, 42 см, 0,03 Па.
17
Формирование НСЭП. Утечки электронного тока в
радиальном направлении (продолжение).
Утечки электронного тока существенно
возрастают при увеличении ускоряющего
напряжения, давления, длины канала
транспортировки и при уменьшении
напряженности ведущего магнитного поля.
Ток утечек сопоставим с током пучка.
На коллекторе, согласно калориметрическим
и осциллографическим измерениям,
выделяется, как правило, 30-40% (в редких
случаях 50%) от запасенной в ГВИ энергии,
что также подтверждает наличие
значительных утечек.
Зависимости Ib1, Ib2, Id2 и JC на коллектор III, ( Z= - 4 cм),
от давления аргона. 15 кВ, 2 кЭ, 42 cм.
Утечки тока в радиальном направлении,
вызываются, видимо, аномальной диффузией
электронов, эмитированных из периферийной
области катодной плазмы, поперек силовых
линий магнитного поля [Незлин М.В.].
Плотность тока, определяемая классической
подвижностью (диффузия на столкновениях),
на два порядка меньше наблюдаемой в
эксперименте.
Нарастание проводимости плазмы в
поперечном направлении существенно
ограничивает возможность увеличения
длительности импульса пучка за счет
увеличения радиального зазора. Это
подтвердилось в эксперименте.
Зависимости Ib1, Ib2, Id2 и JC на коллектор III, ( Z= - 4 cм),
от магнитного поля. 0,033 Па, 15 кВ, 42 cм.
18
Транспортировка НСЭП.
Ток пучка в системе с ПА на основе искровых источников.
(1, 3) – t = 0,2 мкс; (2, 4) – t = 1 мкс. 1,2 мкФ,
Энергия пучка (1-3) и амплитуда тока (4)
от длины канала. 1,3 кЭ, Øкатода = 1,6 см,
2R = 10 см, tз = 2 мкс. СГИН = 0,1 мкФ.
20 кВ, Øкатода=6 см, Н = 2,4 кЭ, tз = 3 мкс.
Ток пучка >> тока Пирса и тока пучководрейфовой неустойчивости. (IП ≈ 200 A и
IПД ≈ 110 A при 30 кВ).
19
Транспортировка НСЭП. Ток пучка в системе с ПА на основе
сильноточного отражательного разряда. Гладкая труба дрейфа.
8,3 кВ
Ud
20 кА
15 кА
Øкатода = 6 см, Øанода = 8 см, 28 кВ, 3 кЭ,
0,03 Па, ток ОР = 150 А, L = 27,5 см. 1 мкс/дел.
Зависимости амплитуды тока (1) и плотности
энергии пучка (2) от длины канала дрейфа.
28 кВ, 3 кЭ, 0,03 Па, ток разряда – 150 А.
Øд = 6 см.
L = 55 см, 0,04 Па.
Благодаря большей концентрации плазмы и
сравнительно равномерному распределению
по длине, пучок в системе с ПА на основе ОР
транспортируется на бо́льшие расстояния,
чем в случае ПА на основе искровых
источников.
20
Транспортировка НСЭП. Ток пучка в системе с ПА на основе
сильноточного отражательного разряда. Ступенчатая труба дрейфа.
10,6 кВ
Ud
14,4 кА
Id
3 кА
Ib
l=0
1 –катод; 2 – анод; 3 – коллектор; 4 – камера; 5 –
изолятор; 6 – катодная плазма; 7 – анодная плазма, 8 –
соленоид, 9 – пояс Роговского. Диаметр пушки – 15,8 см,
диаметр камеры – 40 см.
l = 10 см
Ускоряющее напряжение, ток катода и ток пучка
на коллектор при различных l. Øкатода =4,8 см,
1,3 кЭ, 0,06 Па. 1 мкс/дел.
В ступенчатой трубе дрейфа спад тока и энергии пучка
идет быстрее, чем в гладкой, транспортировка
затрудняется. При l = несколько сантиметров, на
осциллограмме тока пучка наблюдается срыв после
достижения первого максимума, в момент срыва
возникают сильные ВЧ модуляции, что характерно для
возникновения виртуального катода.
21
Транспортировка НСЭП. Ток пучка в системе с ПА на основе
сильноточного отражательного разряда. Ступенчатая труба дрейфа.
Плавный спад тока и энергии пучка в импульсе
позволяет столь же плавно менять тепловой режим на
облучаемой мишени.
Ток и энергия пучка в ступенчатой трубе дрейфа
спадают быстрее, чем в гладкой.
Первое ограничение тока пучка – в области инжекции
I инж

  M 1 / 2
2kTe
 en a  0,4
 v пл   S  A ;
M

 m 
(10)
где А > 1 – коэффициент «нестационарности».
За счет быстрого движения катодной плазмы
Iинж>>Iеа = Senа(2kTe/m)1/2/4, т.е. хаотического эл-го тока
анодной плазмы.
Второе ограничение обусловлено конечным временем
(единицы нс) зарядовой нейтрализации пучка при
быстром нарастании концентрации инжектируемых
электронов. Критическая скорость нарастания тока
4e 0U 02
 dI b 

 
mL
 dt  max
≈ 2×1010 А/с
(11).
При наличии небольшого количества избыточной плазмы
(ne~nb) ограничение по Пирсу практически снимается. (u
– скорость электронов пучка).
(1;4) – 15 кВ; (2;5) – 20 кВ; (3; 6) – 30 кВ. Кривые
(1-3) по данным калориметра, кривые (4-6) – по
осциллограммам. 1,3 кЭ, 0,04 Па.
IП
I ea
3

 ne
u


 8
; (12)
1/ 2 
n


2
kT
/
m
a
e


22
Транспортировка НСЭП.
Управление распределением плотности энергии по сечению пучка.
СГИН = 3,6 мкФ, 40 кВ, 4 кЭ, L = 11 см. ПА на основе
искровых источников, амплитуда тока – 4,5 кА.
(1) – Id = 80 А, l =0,5 см; (2) – 150 А, l =0,5 см; (3) - 150 А, l = 8 см.
Ступенчатая труба дрейфа, СГВИ=3 мкФ, 27 кВ, 0,07 Па, 1,4 кЭ.
Характерной чертой сильноточных диодов
является быстрый рост концентрации
инжектируемых электронов в течение
значительной части импульса. Вследствие
запаздывания процесса нейтрализации в канале
дрейфа возникают сильные электрические поля.
Под действием радиальной составляющей
электрического поля, ионы плазмы движутся к оси
(как в коаксиальном диоде). Концентрация ионов
будет иметь максимум в приосевой области,
следовательно, степень компенсации объемного
заряда пучка, а значит и плотность тока здесь
возрастет.
Идея улучшения однородности распределения
плотности энергии по сечению пучка заключалась в
подборе такого исходного распределения na(r) ,
которое бы компенсировало накопление ионов.
Очевидно, что этому условию удовлетворяет
распределение с пониженной концентрацией ионов
в центральной части пучка.
В системе с искровыми источниками задача
решается путем использования катода
чашеобразной формы.
В системе с отражательным разрядом – путем
подбора тока разряда и напряженности магнитного
поля. Используется эффект увеличения количества
катодных пятен преимущественно в периферийной
области разряда при увеличении его тока и/или
напряженности внешнего магнитного поля.
23
Источники НСЭП и их применение.
Электронная пушка источника
«РИТМ-М». 1 – фланец; 2 –
кабели; 3 – пояс Роговского; 4 –
делитель напряжения; 5 –
корпус пушки; 6, 15 –
диафрагмы; 7 – соленоид; 8 –
обратный токопровод; 9 –
коллектор; 10 – фарфоровый
изолятор ПТ10-У3; 11 – экран;
12 – катод; 13 – анод
отражательного разряда; 14 –
анодный ввод; 16 – вакуумная
рабочая камера, 17 – откачной
патрубок.
Параметры источника «РИТМ-М»: амплитуда ускоряющего напряжения – до 35 кВ; ток пучка – до 20 кА;
Øпучка – до 10 см; длительность импульса – 2-5 мкс; средняя энергия электронов – 10-20 кэВ; плотность
энергии пучка – до 20 Дж/см2; неоднородность w(r) - ±20% (на диаметре катода); частота следования
импульсов – до 1 имп./5 с; давление рабочего газа (аргон) – 0,02-0,1 Па; давление остаточных
газов - 10-4 Па.
24
Источники НСЭП и их применение. О ресурсе
многопроволочного катода в безмасляном вакууме.
Мишень – нержавеющая сталь
нержавеющая сталь
без диафрагмы
Мо
«Мо+медное кольцо»
10
Рid , %
8
6
τи = 2,7 мкс;
8-10 Дж/см2
4
регенерация катода
2
0
0
1000 2000 3000 4000
N, число импульсов
τи = 3,5 мкс;
6,5-8 Дж/см2
Катод после 1700 выстрелов
по мишени из нержавеющей
Фотография установки на базе стали. 8-10 Дж/см2.
источника НСЭП «РИТМ-М».
Причиной выхода катодов из строя являлся срыв
нормального формирования плазменного анода
вследствие запыления катода нержавеющей сталью.
В жестких условиях эксплуатации ресурс
многопроволочного медного катода составляет
3-4 тысячи импульсов, что приемлемо.
Вероятности холостых срабатываний от числа импульсов.
25
Источники НСЭП и их применение.
Повышение коррозионной стойкости металлов и сплавов.
При обработке в режиме интенсивного плавления с
частичным испарением поверхностного слоя
происходит его очистка (рафинирование) от
нежелательных примесей (кислорода, углерода),
растворение частиц вторых фаз (карбидов,
сульфидов и др.), измельчение кристаллической
структуры до субмикронных размеров,
сглаживание микрорельефа. В результате
коррозионная стойкость многих металлов и
сплавов возрастает многократно. Для
нержавеющей стали – до двух порядков величины.
Аналогичные эффекты наблюдаются при
облучении титанового сплава Ti-6Al-4V и
алюминиевого сплава AL6061. Важным
практическим свойством наблюдаемых эффектов
Анодно-поляризационные кривые стали 12Х18Н10Т,
является их устойчивость и хорошая
1-% HCl, (1)- исходный образец; (2)- w = 2 Дж/см2, N = 1; воспроизводимость.
(3-5) w = 5 Дж/см2, N = 1, 20 и 100.
Влияние режима облучения на микрорельеф поверхности стали 12Х18Н10Т:
а) - w = 2 Дж/см2, N = 1; б) - w = 5 Дж/см2, N = 1; в) - w = 5 Дж/см2, N = 50. τи≈ 0,8 мкс.
26
Источники НСЭП и их применение.
Повышение электрической прочности вакуумной изоляции.
Øэ = 8 см, тестовый импульс: 200 кВ, 50 нс.
Схема облучения деталей замедляющей структуры ЛОВ.
1 – катод; 2 – катодная плазма; 3 – двойной слой; 4 – анод;
5 –анодная плазма; 6 – вакуумная камера; 7 – облучаемая
деталь; 8 – ферромагнитная вставка.
На ускорителе «СТЕНД» (до 300 нс, ОИТ) увеличение
длительности СВЧ импульса составило ≈ 1,5 раза по
сравнению с э/х полировкой. τ0,5= 90 нс, ЕСВЧ ≈ 250 Дж.
(1) – «масляный» вакуум, э/х полировка; (2) – безмасляный
(2) вакуум, э/х полировка; (3) – безмасляный вакуум, обработка НСЭП.
27
Источники НСЭП и их применение.
Формирование поверхностных сплавов. Сглаживание.
100
концентрация, ат. %
Cu, исходная пленка
80
60
C
Fe
40
Cu
20
0
Cr
Ni
0
100
200
300
400 х, нм
Оже–профили для системы Cu/сталь 316, облученной
НСЭП: 2,7 мкс, 6,3 Дж/см2, N = 5 импульсов.
Микрорельеф поверхности Ti до и после облучения
НСЭП.
При импульсном воздействии на системы «пленкаподложка» появляется возможность сплавления
материалов, нерастворимых или ограниченно
растворимых друг в друге стационарными
методами (Ta-Fe, Cu-Fe и др.). Возможно
формирование метастабильных состояний, в том
числе аморфных, причем толщина
модифицированных слоев может примерно на
порядок превышать значения, достигаемые при
высокодозной ионной имплантации, которые
ограничиваются процессом распыления.
Сплавление решает и проблему адгезии покрытия.
Снижение шероховатости (полировка)
металлических изделий является
распространенным технологическим приемом для
получения поверхностей нужного качества. В
случае деталей сложной формы или мягких,
склонных к наволакиванию материалов,
перспективным является оплавление поверхности
с помощью НСЭП.
Среди практических задач, при решении которых
перспективно применение электронно-пучковой
полировки, можно назвать обработку
металлических зубных протезов и штампов
сложной формы.
28
Источники НСЭП и их применение.
Обработка зубных протезов и штампов.
Очистка и полировка титановых зубных протезов.
Установка CRS-100. 1 – электронная пушка; 2 – рабочая
вакуумная камера; 3 – генератор импульсных
напряжений, 4 – турбомолекулярный насос.
Установка PF-32A для финишной
электронно-пучковой полировки.
Участок по сборке установок PF-32A
(ITAC Ltd, Япония).
29
Положения, выносимые на защиту:
•1. Низкоэнергетические (до 40 кэВ) сильноточные электронные пучки эффективно
формируются в пушках с плазменным анодом (при умеренной концентрации анодной
плазмы: na ~ 1012-1013 см-3) и взрывоэмиссионным катодом, в том числе и в условиях
безмасляной откачки. Оптимальным путем создания плазменного анода является
объемная ионизация рабочего газа с помощью сильноточного отражательного
разряда низкого давления. Катодами разряда при этом служат взрывоэмиссионный
катод и коллектор пучка. Внешнее продольное магнитное поле обеспечивает не
только зажигание и горение отражательного разряда, но служит также и для
транспортировки пучка.
•2. Плотность электронного тока в плоском бесстолкновительном двойном слое
сильноточного плазмонаполненного диода увеличивается при уменьшении
длительности фронта импульса ускоряющего напряжения. Причем при длительности
фронта много меньшей времени пролета ионом слоя достигается максимальное
значение плотности тока. В однородной по концентрации плазме данная плотность
тока равна половине произведения плотности заряда ионов плазмы на скорость
электрона, набираемую им при прохождении слоя.
•3. В сильноточной электронной пушке с плазменным анодом на основе
сильноточного отражательного разряда появление плазмы паразитного
магнетронного разряда в пространстве между катодом и корпусом пушки вызывает
значительные утечки электронного тока поперек силовых линий ведущего магнитного
поля. Эти утечки приводят к пробою и загрязнению обрабатываемых изделий
продуктами эрозии корпуса пушки. Увеличение радиального зазора между катодом и
корпусом пушки не дает адекватного увеличения длительности импульса пучка.
Установка диафрагм, предотвращающих появление плазмы магнетронного разряда в
этом зазоре, позволяет увеличить до 20% длительность импульса и энергию пучка в
импульсе, а также значительно снизить поток продуктов эрозии на обрабатываемое
изделие.
30
•4. Нарастание концентрации инжектируемых электронов во времени, характерное
для сильноточных диодов, вызывает появление некомпенсированного
отрицательного объемного заряда в плазменном канале транспортировки
низкоэнергетического сильноточного электронного пучка. Это, в свою очередь,
приводит к накоплению ионов в приосевой области пучка под действием
радиальной компоненты электрического поля, и, как следствие, к увеличению
плотности тока и энергии пучка в этой области. Улучшение однородности
распределения плотности энергии по сечению пучка достигается искусственным
понижением исходной концентрации плазмы в приосевой области по сравнению с
периферийной областью.
•5. Значительное увеличение ресурса многопроволочного взрывоэмиссионного
катода в случае запыления его поверхности продуктами испарения мишеней,
изготовленных из материалов с низкими эмиссионными свойствами, достигается
путем осаждения на катод паров материала с высокими эмиссионными
свойствами в сильных электрических полях. При этом источником паров
последнего является диафрагма (или установленная на ней со стороны катода
вспомогательная мишень), ограничивающая поперечные размеры столба анодной
плазмы. Испарение диафрагмы или вспомогательной мишени происходит под
действием бомбардировки их периферийными электронами формируемого в
диоде пучка.
•6. Созданные источники низкоэнергетических сильноточных электронных пучков
обладают уникальным набором параметров: ток пучка до 25 кА, плотность тока
102-103 А/см2, диаметр пучка до 10 см, длительность импульса до 8 мкс,
неоднородность плотности энергии по сечению пучка ± 15-20%. Источники
успешно используются для решения задач поверхностной модификации
металлических материалов: сглаживание микрорельефа, очистка поверхностного
слоя, формирование поверхностных сплавов, повышение коррозионной стойкости,
повышение электрической прочности вакуумной изоляции.
31