Устройство для создания потока плазмы

Предполагаемая полезная модель относится к плазменной технике и используется для создания потока металлической или газометаллической плазмы. Технический результат-обеспечение генерации интенсивного широкоапертурного однородного плазменного потока при существенно меньшем, по сравнению с известными источниками плазмы, напряжении разряда. Для инициации разряда используется сегнетокерамический диск, на тыльную сторону которого нанесен сплошной металлический электрод, а на передней стороне размещается металлическая сетка. В отличие от прототипа, устройство снабжено системой дополнительных пружин, которые натягивают и прижимают сетку к поверхности диска, обеспечивая плотный контакт с поверхностью керамики по большой площади. Тем самым, даже при малых значениях напряжения, приложенного между сеткой (катодом) и расположенным напротив катода анодом, создаются условия для инициации основного разряда между этими электродами.

Предполагаемая полезная модель относится к плазменной технике и используется для создания широкоапертурного интенсивного однородного потока металлической или газометаллической плазмы. Такие потоки широко применяются в различных областях техники и научных исследований: в сильноточных вакуумных размыкателях, для нанесения металлических и композитных покрытий на подложку, в качестве источников заряженных частиц для ионных ускорителей и др. [Handbook of Vacuum arc Science and Technology: Fundamentals and Applications/ ed. by R.L. Boxman, D.M. Sanders and P.J. Martin -Noyes Publications. NJ - USA. - 1995.- 742 р.]. Для повышения эффективности указанных приложений, необходимо обеспечить высокую интенсивность плазменных потоков, а для некоторых задач (например, при нанесении покрытий) - также их большую площадь и пространственную однородность. Для получения таких потоков обычно используются вакуумные разряды различных модификаций, где плазмообразующим веществом является материал эродирующего катода, который испаряется и ионизуется протекающим между катодом и анодом разрядным током, а также атомы и молекулы газов, десорбированных с поверхности электродной системы.

Плазменные и ионные потоки высокой интенсивности могут быть получены лишь при достаточно большой величине разрядного тока, поскольку, согласно эктонной модели [Месяц Г.А. Импульсный электрический разряд в вакууме / Г.А.Месяц, Д.И.Проскуровский. - Новосибирск: Наука. - 1985. - 243 с], ионный ток в вакуумном разряде пропорционален разрядному. Большие разрядные токи (свыше килоампера) обеспечиваются импульсными системами питания, которые, как правило, требуют использования больших напряжений на разрядном промежутке. В то же время, технологически более эффективными являются источники плазменных потоков, использующие сравнительно невысокие, менее одного киловольта, разрядные напряжения. Получить интенсивный плазменный поток при относительно невысоком значении напряжения на разрядном промежутке можно с помощью импульсного вакуумного разряда с металлическим катодом, инициируемого дополнительным поджигающим электродом.

Известен импульсный источник металлической плазмы [Алферов Д.Ф. Развитие импульсного сильноточного разряда в вакууме / Д.Ф.Алферов, Н.И.Коробова, И.О.Сибиряк //Физика плазмы. - 1993. - Т. 19, 3.- С.399-410]. В начальном состоянии между катодом 1 и анодом 2 приложено напряжение U накопителя 3. Разряд инициируется путем подачи вспомогательного высоковольтного импульса 4 между поджигающим электродом 5 и катодом, что вызывает пробой на поверхности диэлектрической вставки 6 с образованием предплазмы 7, которая инициирует основной разряд между катодом и анодом. Наличие дополнительного инициирующего разряда обеспечивает устойчивую генерацию основного разряда при относительно низких (начиная с нескольких сотен вольт) напряжениях на межэлектродном промежутке. Однако данная схема обладает существенными недостатками, поэтому рассмотрим подробнее ее работу.

Вследствие локальной инициации разряда вблизи узла поджига, катодные пятна, являющиеся источником основной плазменной струи также оказываются в начале разряда локализованными в этой области. Таким образом, плазменный поток оказывается локализованным вблизи узла поджига, т.е. сильно неоднородным.. При этом высокая плотность тока струи обеспечивает условия для эффективного действия амперовых сил, приводящих к сжатию плазменного потока и неустойчивому характеру его движения, что подтверждено экспериментальными исследованиями. Таким образом, данный способ не позволяет получать интенсивные широкоапертурные однородные потоки металлической плазмы.

Известен ионный источник с холодным катодом [Патент РФ 2299489 H01 J27/04 2007 г.], содержащий плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и анодную сетку, и генератор плазмы, включающий основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного полого анода, на поверхности которого установлена система постоянных магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля. Анодная сетка установлена на обращенном к основному аноду торце полого анода тлеющего разряда.

Известен источник широкоапертурных ионных пучков [Патент РФ 237084 H01J 27/04, 2008 г.], содержащий плазменный катод на основе тлеющего разряда, электродная система которого включает полый катод 1, поджигающий электрод 2 и анодную сетку 3, установленную напротив выходной апертуры полого катода, и плазменную камеру, в состав которой входят стержневой анод 4 и полый цилиндрический эмиттерный электрод 5 с отверстиями, предназначенными для извлечения ионов, электрически соединенный с анодной сеткой 3 и находящийся под отрицательным потенциалом относительно стержневого анода. Эффективная ионизация газа и генерация плотной плазмы обеспечиваются при определенном соотношении площадей стержневого анода и полого эмиттер-ного электрода, величина которого зависит от среднего числа ионизации, совершаемых инжектированным быстрым электроном.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения интенсивных плазменных потоков с помощью вакуумного разряда, где катодный узел выполнен на основе сегнетокерамики [Бугаев СП., Загулов Ф.Я., Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Импульсный источник больших электронных токов малой длительности / Изв. вузов. Сер. Физика.-1968. - В.1. - С.145-147]. Тыльная сторона диска из сегнетокерамики 1 покрыта сплошным металлическим электродом 2, а на передней стороне располагается электрод в виде металлической сетки 3. К электроду 2 прикладывается инициирующий высоковольтный импульс напряжения U₀, вследствие чего на передней стороне диска возникает сгусток предплазмы. Эта предплазма инициирует основной разряд между сеткой-катодом 3 и электродом (анодом) 4, помещенном на расстоянии порядка 1cm от поверхности катода, между которыми прикладывается импульс напряжения U. Импульс напряжения обеспечивает создание основного плазменного потока, генерируемого поверхностью керамического диска с сеткой-катодом, а также эмиссию электронного пучка из границы плазменного потока и его ускорение в направлении анода.

Поскольку при таком способе инициации разряда пробой практически одновременно происходит по большой площади катода, возникающий вследствие этого плазменный поток имеет широкую апертуру и оказывается пространственно однородным. Однако такой способ генерации плазменного потока, имеет существенный недостаток.

Предплазма на передней поверхности сегнетокерамики, согласно современной точке зрения, генерируется в так называемых «тройных точках» на границе: металл (материал сетки) - диэлектрик (керамика) - вакуум, вследствие возникновения там электрического поля высокой напряженности, что приводит пробою по поверхности керамики [Месяц Г.А. Электронная эмиссия из сегнетоэлектрических плазменных катодов// УФН - 2008. -Т. 178. 1. - С.85-109]. Точки образуются в местах контакта или наличия микроскопического зазора между неоднородностями поверхности керамики и металла. В прототипе специальных мер по обеспечению плотного прилегания сетки к поверхности керамики не принимается. Поэтому, в среднем, зазор между ними оказывается сравнительно большим, и для получения высокой напряженности электрического поля в тройных точках, необходимо использовать также высокие значения разрядного напряжения U. Так, в прототипе использовалось напряжение U=50 kV при длине межэлектродного промежутка d порядка 1 cm и средней напряженности инициирующего поля Е₀ =U(/h=1 kV/mm (h - толщина керамической пластины), разрядный ток в этом случае составлял 2 кА.

Задачей предполагаемой полезной модели является разработка устройства, которое позволило бы при сохранении большой апертуры, высокой интенсивности и однородности плазменного потока, а также параметров инициирующего импульса, существенно уменьшить разрядное напряжение U.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, принятое в качестве прототипа вводится дополнительный элемент в виде системы пружин, которые натягивают и плотно прижимают сетку-катод к передней поверхности керамического диска.

Схема плазменного источника изображена на Фиг.1.

Как в прототипе, для инициации разряда используется сегнетокерамический диск 1, на тыльную сторону которого нанесен сплошной металлический электрод 2, а на передней стороне размещается металлическая сетка 3. Однако, в отличие от прототипа, устройство снабжено системой дополнительных пружин 5, которые натягивают и прижимают сетку к поверхности диска, обеспечивая плотный контакт с поверхностью керамики по большой площади. Тем самым, создаются условия для инициации основного разряда между этими электродами даже при малых значениях приложенного между сеткой (катодом) и анодом 4 напряжения U.

Предложенная схема была реализована в плазменном источнике. Катодный узел источника представлял собой диск из предварительно поляризованной сегнетокерамики PzT-19 диаметром 12 mm и толщиной 0.6 mm. Сторона диска, обращенная к аноду, была покрыта сеткой из молибдена, или никеля, с размером ячейки lxl mm₂ и прозрачностью около 85%, которая была подключена к конденсатору емкостью 2 F, заряжаемому до напряжения U. Сетка натягивалась и плотно прижималась к поверхности катода с помощью двух пружин. Тыльная сторона диска, покрытая сплошным серебряным электродом, подключена к генератору инициирующих импульсов амплитудой U₀=1 kV, длительностью 100 ns. Анодом служила соединенная с заземленным корпусом металлическая сетка с размером ячейки 0.6x0.6 mm, прозрачностью 60%, расположенная на расстоянии d=2.5 mm от катода. Ток разряда измерялся поясом Роговского, который находился в катодной цепи разряда. В ходе экспериментов в рабочем объеме поддерживался вакуум не хуже 10^-5 Torr. Плазменная струя, генерируемая на поверхности сегнетокерамического диска с сеткой, проходила через сетчатый анод и расширялась в дрейфовую трубку.

На торце дрейфовой трубки располагался прозрачный фланец для регистрации изображения поверхности катода с помощью работающей в интегральном режиме цифровой камеры. В ходе измерений было обнаружено, что при изменении напряжения на катоде во всем диапазоне исследуемых величин U=(75÷600 V), разряд возникал только при отрицательной полярности управляющего импульса, причем лишь в случае превышения минимального значения в указанном диапазоне.

На Фиг.2. представлены осциллограммы тока разряда и фотографии светового излучения с поверхности катода при разных значениях напряжения разряда и, соответственно, амплитуды разрядного тока. Из осциллограмм разрядного тока (левый столбец), полученных при различных значениях разрядного напряжения U, видно, что разрядный ток достигает величины 1.3 кА при напряжении разряда 300 V. Сводка основных сравнительных характеристик прототипа и предложенного источника приведены в Таблице.

Из таблицы видно, что сопоставимые величины разрядного тока, т.е. плотности плазменного потока, в предложенном источнике достигаются при напряжении на разряде U более чем на два порядка, а соответствующей величине электрического поля - на полтора порядка ниже, чем в прототипе. При этом значения электрического поля инициирующего импульса также являются сопоставимыми.

Изображения поверхности катода (правый столбец на Фиг.4) показывают, что с увеличением напряжения разряда U возрастает площадь светящейся области на поверхности сегнетоэлектрика, которая эмитирует плазменный поток. Можно оценить эту площадь, как составляющую, приблизительно, 0.1 площади диска при напряжении 75 V и амплитуде тока разряда 160 А, а при U=600 V и токе разряда 1.3 кА эмитирующая область занимает практически всю поверхность сегнетоэлектрика. Таким образом, плазменный поток имеет большое поперечное сечение, следовательно, плотность разрядного тока оказывается невысокой, т.е. отсутствуют условия для сжатия плазмы амперовыми силами, приводящего к возникновению в потоке неоднородностей.

Полученные данные говорят о том, что данное устройство обеспечивает генерацию интенсивного широкоапертурного однородного плазменного потока при существенно меньшем, по сравнению с прототипом, напряжении разряда.

Устройство для создания потока плазмы при помощи импульсного вакуумного разряда с катодным узлом, выполненным в виде сегнетокерамического диска, на заднюю поверхность которого нанесен сплошной металлический электрод, соединенный с источником инициирующего импульсного напряжения, а на передней стороне помещена металлическая сетка, играющая роль катода, напротив которой расположен анод, отличающееся тем, что металлическая сетка с помощью системы пружин плотно прижата к передней поверхности сегнетокерамического диска.