Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. В.Н. КАРАЗІНА

УДК 533.9

ШАРИ ПРОСТОРОВОГО ЗАРЯДУ В ГАЗОРОЗРЯДНИХ ПУЧКОВО-ПЛАЗМОВИХ СИСТЕМАХ

01.04.08 - фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

БІЗЮКОВ ОЛЕКСАНДР АНАТОЛІЙОВИЧ

Харків - 2001



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Терешин Володимир Іванович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”, заступник директора;

доктор фізико-математичних наук, професор, П'ятак Олександр Іванович, Харківський автомобільно-дорожній технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри фізики;

доктор фізико-математичних наук, професор, Білецький Микола Миколайович, Інститут радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, провідний науковий співробітник;

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, відділ газової електроніки, м. Київ

Захист відбудеться 12.10.2001 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова, 31, читальний зал бібліотеки №5.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий 14.09.2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Письменецький С.О.



Бізюков А.А. Шари просторового заряду в газорозрядних пучково-плазмових системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням фізики процесів взаємодії потоків заряджених частинок і електромагнітних полів із шарами просторового заряду в газорозрядних пучково-плазмових системах. Наведено результати експериментальних і теоретичних досліджень механізмів утворення, структури, стійкості та динаміки поверхневих і об'ємних шарів просторового заряду, які дали змогу установити нові фізичні закономірності в процесах генерації, прискорення і транспортування пучків заряджених частинок і розробити методи локальної зміни параметрів шарів з метою керування іонізаційними процесами і характеристиками біполярного руху потоків заряджених частинок. Результати досліджень дають змогу підвищити ефективність газорозрядних пучково-плазмових систем і дають основу для розробки сучасного вакуумно-плазмового технологічного обладнання.

Ключові слова: шар просторового заряду, подвійний електричний шар, газовий розряд, пучково-плазмова система, пучки заряджених частинок.



Bizyukov A.A. Layers of a spatial charge in gas-discharge beam-plasma systems. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of the doctor of science in physics and mathematics by speciality 01.04.08 - plasma physics. - Kharkiv National University, Kharkiv, 2001.

Thesis is devoted to physics of processes of charged particle beams and electromagnetic fields interaction with layers of a spatial charge in gas-discharge beam-plasma systems. The results of experimental and theoretical examinations of formation mechanisms, structure, stability both dynamics of surface and volume layers of a spatial charge are given which have allowed to establish new physical legitimacies in the processes of formation , acceleration and transportation of charged particle beams and to develop methods of local change of layer parameters with the purpose of guidance of ionization processes and performances of a bipolar motion of charged particle streams. The results of examinations allow to increase efficiency of gas-discharge beam-plasma systems and give a basis for development modern vacuum-plasma technological equipment.

Key words: layer of a spatial charge, double electrical layer, gas-discharge beam-plasma system, beams of charged particles.



Бизюков А.А. Слои пространственного заряда в газоразрядных пучково-плазменных системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросам физики процессов взаимодействия потоков заряженных частиц и электромагнитных полей со слоями пространственного заряда в газоразрядных пучково-плазменных системах. Большое внимание уделено исследованию механизмов образования, структуры, устойчивости и динамики поверхностных и объемных слоев пространственного заряда и разработке методов локального изменения параметров слоев с целью управления ионизационными процессами и характеристиками биполярного движения потоков заряженных частиц. Экспериментально показано, что пучково-плазменные системы с разрядом в сильном поперечном магнитном поле макроскопически неустойчивы, разрядный ток имеет импульсный характер и обеспечивается периодическим прохождением разрядного промежутка электронным сгустком (слоем). Движущийся электронный слой является нестационарным источником электронов и ионов, уходящих на катод разрядной системы. Неустойчивость приводит к сильной модуляции параметров разряда и появлению особенностей на стационарных токовых характеристиках. Определены границы устойчивости разряда. Предложена феноменологическая модель для описания неустойчивости разряда, проведено сравнение теоретических расчетов с экспериментальными результатами. Предложены методики локального изменения параметров стационарного анодного слоя и управления формой функции распределения ионов по энергиям при воздействии на него собственных и внешних электромагнитных полей в газоразрядных пучково-плазменных системах с поперечным магнитным полем. В пучково-плазменных системах с тлеющим разрядом в поперечном магнитном поле образование двойного слоя пространственного заряда у поверхности катода и ограничение вторичноэмиссионного тока становится возможным благодаря осцилляциям электронов в магнитном поле и инжекции ионного пучка из анодного слоя. Переход из тлеющего разряда в дуговой проходит через стадию образования движущегося двойного слоя пространственного заряда на фронте плазмы катодных пятен и генерации мощных электронных и ионных пучков. При увеличении разрядного тока структура плазменного столба дугового разряда изменяется, так как конфигурация магнитного поля теряет удерживающие свойства и дуговой разряд переходит из разряда с поперечным магнитным полем в разряд с квазипродольным магнитным полем. В сильноточном импульсном прямом разряде низкого давления с сужением разрядного промежутка или с реверсивным магнитным полем возможна пространственная стабилизация сильных двойных слоев в плазменном объеме. Образование двойного слоя обеспечивает большое значение коэффициента трансформации энергии внешнего электрического поля в энергию формируемых пучков заряженных частиц. При экстракции из разрядного промежутка только ионного пучка, возможно полезное использование энергии, вкладываемой в электронный пучок, для испарения материала анода и получения пучков ионов различных материалов. Для систем с реверсивным магнитным полем предложена феноменологическая модель формирования и разрушения сильного двойного слоя. При отсутствии условий для образования сильных двойных слоев распределением электрических полей и потоков заряженных частиц в плазменном объеме пучково-плазменных систем возможно управлять с помощью неоднородного магнитного поля. Использование неоднородных локальных поперечных или продольных магнитных полей в пространстве транспортировки позволяет трансформировать часть энергии ионного пучка на генерацию заряженных частиц за счет возбуждения дополнительного несамостоятельного газового разряда магнетронного типа и обеспечить зарядовую и токовую нейтрализацию пучка. Предложен новый тип газоразрядного нейтрализатора ионных пучков. Разработаны феноменологические модели зарядовой и токовой автокомпенсации, формирования и релаксации виртуального анода для холловского ускорителя с анодным слоем. Показано, что в пучково-плазменной системе у поверхности электрода-коллектора электронного пучка возможно формирование вторично-эмиссионного двойного электрического слоя пространственного заряда, который ограничивает эмиссионный поток в плазму. На основе модели двойного слоя Ленгмюра получено условие образования слоя и показано, что это может приводить к ограничению эмиссии с электрода на значительно более низком уровне, чем в случае, рассмотренном Ленгмюром. Для пучково-плазменных систем с изолированной мишенью - токоприёмником в зависимости от энергии электронного пучка существуют два режима транспортировки пучка к обрабатываемой поверхности: режим с ограничением вторичной эмиссии и формированием ионного потока на мишень (ионный режим) и режим, когда электронный пучок бомбардирует поверхность мишени и вторичная эмиссия электронов присутствует (электронный режим). Изменяя с небольшой глубиной модуляции энергию пучка электронов можно получить скачкообразный переход из режима в режим, когда ионная обработка чередуется с нагревом поверхности электронным пучком. Результаты исследований позволяют повысить эффективность газоразрядных пучково-плазменных систем и дают основу для разработки современного вакуумно-плазменного технологического оборудования.

Ключевые слова: слой пространственного заряда, двойной электрический слой, газовый разряд, пучково-плазменная система, пучки заряженных частиц. іонізація біполярний просторовий заряджений



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За теперішнього часу знайшли широке поширення й інтенсивно досліджуються пучково-плазмові системи, які застосовують як активний елемент, що генерує і прискорює потоки заряджених частинок, пристрої на основі газових розрядів низького тиску. Це плазмові діоди з прямими розрядами, пристрої на основі пучково-плазмового розряду і розрядів у поперечному магнітному полі. Вони забезпечують широкі можливості здобуття і керування параметрами потоків заряджених частинок, що обумовлено великим діапазоном зміни робочих речовин і їхнього фазового стану, потужності стаціонарних, квазістаціонарних та імпульсних потоків, енергії заряджених частинок, що прискорюються, при високій енергетичній ефективності. Прогрес в галузі створення нових технологій з використанням пучків заряджених частинок і плазмових потоків багато в чому пов'язаний з розумінням фізичних процесів, що відбуваються як при генерації пучків і плазми, так і при їхній взаємодії з середовищами і матеріалами, які обробляються. Такі задачі вимагають розв'язання проблем, пов'язаних із взаємодією пучків заряджених частинок у газорозрядних пучково-плазмових системах з електромагнітними полями, які звичайно локалізовані в стаціонарних чи динамічних шарах просторового заряду. Різноманітність шарів просторового заряду, що виникають у газорозрядних пучково-плазмових системах, видно на прикладі типового експеримен-тального пристрою, який складається з розрядного проміжку (анод-катод), до якого прикладені зовнішні електромагнітні поля, простору транспортування і струмоприймача або мішені. У такій системі можливе утворення як поверхневих перехідних шарів (анодний, катодний і біля поверхні мішені), що узгоджують електрофізичні параметри плазми і поверхні, так і об'ємних (подвійний шар, віртуальний емітер, об'ємний заряд у просторі транспортування), які виникають у плазмовому потоці при недоліку або обмеженні рухливості одного з сортів заряджених частинок. Проблема взаємодії потоків заряджених частинок з поверхневими і об'ємними зарядженими шарами тісно пов'язана практично з усіма процесами в газорозрядній пучково-плазмовій системі: іонізацією робочого тіла, його прискоренням і транспортуванням, стабілізацією коливань, руйнуванням стінок, процесами “узгодження” електромагнітних полів у ядрі потоку з полями на стінках, проблемою переносу струму через межу поділу плазма-стінка, обмеженням інтенсивності потоків заряджених частинок об'ємними і поверхневими зарядами, аномальним опором плазми і т.д. Тому вивчення механізмів утворення, структури, стійкості та динаміки поверхневих і об'ємних шарів просторового заряду є важливою й однією з найбільш складних задач фізики плазми. За теперішнього часу теоретичні й експериментальні дослідження газорозрядних пучково-плазмових систем дали змогу встановити механізми утворення шарів просторового заряду і їхні основні властивості. У більшості цих досліджень шари просторового заряду розглядалися окремо, а вплив інших процесів, які протікають в розряді, і зворотний вплив шарів на розрядні процеси, не враховувались. Для підвищення ефективності газорозрядних пучково-плазмових систем потрібно провести комплексні дослідження шарів просторового заряду: динаміки формування, структури, стійкості, динамічних і стаціонарних характеристик, взаємного впливу сусідніх шарів один на одного і характеристики пучково-плазмової системи, розробити методи локальної зміни параметрів шарів з метою керування іонізаційними процесами і характеристиками біполярного руху заряджених частинок. Обмежені можливості теоретичного моделювання внаслідок великої кількості фізичних процесів, які відбуваються в шарах просторового заряду газорозрядних пучково-плазмових систем, розрізнений характер виконаних раніше експериментів і, разом з тим, прак-тична цінність очікуваних застосувань стимулюють подальше проведення систематичних експериментальних досліджень шарів просторового заряду. Таким чином, актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена необхідністю здобуття нових знань з фізики процесів у шарах просторового заряду газорозрядних пучково-плазмових систем і потребами науки і техніки в створенні нового покоління пучково-плазмового обладнання для реалізації нових високоефективних технологічних процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, які лягли в основу дисертації, здобуті під час виконання планових фундаментальних бюджетних робіт: “Дослідження процесів генерації, прискорення потоків заряджених частинок і формування функціональних покрить у пучково-плазмовому розряді (ППР)” (номер держреєстрації 0197U002452) - кафедра фізики плазми Харківського національного університету, 1997-1999 р.; “Дослідження процесів нелінійної взаємодії хвиль і частинок у пучково-плазмових системах і системах зі схрещеними полями” (номер держреєстрації 0196U002496) - кафедра фізики плазми Харківського національного університету, 1997-1999 р., що проводилися відпо-відно до затвердженого плану науково-дослідних робіт і пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки “Взаємодія електромагнітного випромінювання і потоків заряджених частинок із речовиною” Міністерства освіти України; “Фундаментальні дослідження плазмово-пучкових систем з метою розробки на їхній основі нових наукоємних технологій” (номер держреєстрації 0100U003293) - кафедра фізики плазми Харківського націо-нального університету, 2000-2002 р., у рамках координаційного плану Міністерства освіти України “Фізика ядерних процесів і ядерно-фізичні методи в енергетиці, радіаційних технологіях і екології”. Дисертант керував виконанням перших двох тем і є відповідальним виконавцем по третій темі.

Мета й основні задачі дослідження. Основною метою роботи є виявлення нових фізичних закономірностей і підвищення ефективності процесів генерації, прискорення і транспортування пучків заряджених частинок у шарах просторового заряду газорозрядних пучково-плазмових систем. Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі сформульовано і розв'язано значне коло задач про взаємодію потоків заряджених частинок і електромагнітних полів із шарами просторового заряду як у газорозрядному проміжку, так і в просторі транспортування пучків заряджених частинок і біля поверхні мішені:

1. Дослідження стійкості, динамічних і стаціонарних характеристик анодного шару просторового заряду в газорозрядних пучково-плазмових системах з поперечним магнітним полем при впливі на нього власних і зовнішніх електромагнітних полів і впливу цих процесів на характеристики іонного пучка, розробка методів локальної зміни параметрів анодного шару і керування формою функції розподілу іонів за енергіями.

2. Вивчення структури, динамічних і стаціонарних характеристик катодного шару просторового заряду і їхній вплив на характеристики біполярного руху заряджених частинок (електронів з катода та іонів з об'єму розряду), іонізаційні процеси в шарі та механізм емісії електронів з катода, тобто тип газового розряду.

3. Дослідження динаміки формування і просторової стабілізації сильних подвійних шарів і електричних полів у міжелектродному проміжку газорозрядних пучково-плазмових систем за допомогою неоднорідності перерізу розрядного проміжку і просторово неоднорідних магнітних полів, особливостей газорозрядних процесів і формування потоків заряджених частинок у таких системах.

4. Знаходження зарядової і токової компенсації за рахунок автогенерації заряджених частинок у просторі транспортування при проходженні іонним пучком області з поперечним чи локально-неоднорідним квазіповздовжнім магнітним полем у процесах іонного розпилення діелектричних і провідникових мішеней.

5. Вивчення структури, динамічних і стаціонарних характеристик примежового шару просторового заряду, який виникає в пучково-плазмовій системі на межі плазма - мішень за наявності вторинної емісії електронів під впливом електронного пучка, і їхнього впливу на рух за- ряджених частинок у шарі.

Об'єкт дослідження - процеси генерації, прискорення і транспортування пучків заряджених частинок у газорозрядних пучково-плазмових системах.

Предмет дослідження - шари просторового заряду і їхній вплив на процеси генерації, прискорення і транспортування пучків заряджених частинок у газорозрядному проміжку, просторі транспортування і біля по- верхні мішені в газорозрядних пучково-плазмових системах.

Методи досліджень - для виявлення нових фізичних закономірностей в процесах генерації, прискорення і транспортування пучків заряджених частинок у шарах просторового заряду газорозрядних пучково-плазмових систем були проведені вимірювання параметрів плазми за допомогою традиційних і апробованих діагностичних методик. Для вимірювання основних стаціонарних параметрів плазми, таких як густина за-ряджених частинок, їхня середня енергія, потенціал плазми, застосовувалися різні зондові методики. Вивчення енергетичних спектрів заряджених частинок проводилося за допомогою багатосіточних зондів методом затримуючого потенціалу й електростатичного енергоаналізатора Юза-Рожанського. У дослідженнях поверхневих шарів просторового заряду на межі плазма - тверде тіло для реєстрації продуктів іонно-хімічного і електронно-стимульованого травлення поверхні твердих тіл застосовувалась мас-спектрометрична методика. Вивчення стійкості й динаміки шарів просторового заряду проводилося шляхом реєстрації і дослідження як зовнішних характеристик газорозрядної пучково-плазмової системи (струму, напруги, активного опору розряду), так і внутрішніх характеристик (розподілу падіння напруги і густини плазми по довжині системи, розподілу потоків заряджених частинок, локалізація і параметри ВЧ-випромінювання з плазми) за допомогою імпульсних подільників напруги, трансформаторів струму (поясів Роговського), зовнішніх і внутрішніх високочастотних зондів, з використанням активної і пасивної СВЧ діагностики. Для теоретичного опису шарів просторового заряду застосовувалась модифікована модель подвійного шару Ленгмюра, результати розрахунків порівнювалися з результатами експериментів.

Наукова новизна здобутих результатів. У дисертаційній роботі вперше доведено, що пучково-плазмові системи з розрядом у сильному поперечному магнітному полі є макроскопічно нестійкими, в таких системах розрядний струм має імпульсний характер і забезпечується періодичним проходженням розрядного проміжку електронним згустком (шаром). Кількість електронів у шарі визначається поточним значенням падіння електричного потенціалу на просторовому заряді шару, а швидкість - класичною рухливістю електронів поперек магнітного поля. Електронний шар, який рухається, є нестаціонарним джерелом електронів та іонів, що ідуть на катод розрядної системи. Запропоновано феноменологічну модель для опису нестійкості розряду.

Уперше запропоновано методики локальної зміни параметрів стаціонарного анодного шару і керування формою функції розподілу іонів за енергіями при впливі на нього власних і зовнішніх електромагнітних полів у газорозрядних пучково-плазмових системах з поперечним магнітним полем.

У дисертації вперше доведено, що в пучково-плазмових системах із тліючим розрядом у поперечному магнітному полі утворення подвійного шару просторового заряду біля поверхні катода й обмеження вторинноемісійного струму стає можливим завдяки осциляціям електронів у магнітному полі й інжекції іонного пучка з анодного шару. Перехід із тліючого розряду в дуговий проходить через стадію утворення подвійного шару просторового заряду, який рухається, на фронті плазми катодних плям і генерацію потужних електронних та іонних пучків. При збільшенні розрядного струму структура плазмового стовпа дугового розряду змінюється, тому що конфігурація магнітного поля втрачає утримуючі властивості, а дуговий розряд переходить з розряду з поперечним магнітним полем у розряд із квазіповздовжним магнітним полем.

Уперше було доведено, що в потужнострумовому імпульсному прямому розряді низького тиску зі звуженням розрядного проміжку або з реверсивним магнітним полем можлива просторова стабілізація сильних подвійних шарів у плазмовому об'ємі. Для систем з реверсивним магнітним полем запропоновано феноменологічну модель формування і руйнування сильного подвійного шару. При відсутності умов для утворення сильних подвійних шарів можливо керувати розподілом електричних полів у плазмовому об'ємі пучково-плазмових систем за допомогою неоднорідного магнітного поля.

У дисертаційній роботі вперше доведено, що застосування неоднорідних локальних поперечних чи повздовжніх магнітних полів у просторі транспортування дає змогу трансформувати частину енергії іонного пучка на генерацію заряджених частинок за рахунок збудження додаткового несамостійного газового розряду магнетронного типу і забезпечити зарядову і струмову нейтралізацію пучка. Розроблено феноменологічні моделі зарядової і струмової автокомпенсації, формування і релаксації віртуального анода для холлівського прискорювача з анодним шаром.

Уперше експериментально виявлено, що в пучково-плазмовій системі біля поверхні електрода-колектора електронного пучка можливе формування вторинно-емісійного подвійного електричного шару просторового заряду, який обмежує емісійний потік у плазму. На основі моделі подвійного шару Ленгмюра знайдено умову утворення шару і доведено, що це може приводити до обмеження емісії з електрода на значно більш низькому рівні, ніж у випадку, що був розглянутий Ленгмюром.

Практичне значення здобутих результатів. Результати дос-ліджень важливі для розвитку фізики плазми, фізики газового розряду, фізики пучків заряджених частинок, сучасних технологій. Вони можуть бути як основою для проведення подальших експериментів та інтерпретації їхніх результатів, так і для безпосереднього застосування в роботах прикладного характеру.

Вивчені в дисертації методи формування функції розподілу іонів за енергіями при впливі на анодний шар просторового заряду власних і зовнішніх електромагнітних полів у газорозрядних пучково-плазмових системах з поперечним магнітним полем можуть бути використані при розробці нового покоління джерел заряджених частинок.

Результати досліджень катодного шару просторового заряду використовувалися при розробці імпульсної магнетронної розпилювальної системи, що дало змогу істотно підвищити використання матеріалу мішені і швидкість осадження покриттів.

Ефект просторової стабілізації сильних подвійних шарів у плазмовому об'ємі дає змогу використовувати їх як віртуальні електроди іонно-оптичних систем при розробці нового покоління джерел заряджених частинок. При екстракції з розрядного проміжку тільки іонного пучка можливо корисне використання енергії, вкладеної в електронний пучок, для випарювання матеріалу анода й формування пучків іонів різноманітних твердих і тугоплавких матеріалів.

Запропонований у дисертації метод фокусування потоків заряджених частинок у плазмовому об'ємі за допомогою неоднорідного магнітного поля застосовувався при розробці технологічних іонних джерел на основі розряду Пенінга і пучково-плазмового розряду для травлення й осадження тонкоплівочних покриттів, що дало змогу збільшити їхню токову ефективність і однорідність іонної обробки виробів.

Ефект трансформації частини енергії іонного пучка в неоднорідних локальних повздовжніх і поперечних магнітних полях у просторі транс-портування на генерацію заряджених частинок, які забезпечують зарядову і струмову нейтралізацію пучка, покладено в основу розробки нового типу газорозрядного нейтралізатора іонних пучків.

Вивчене в дисертації формування приелектродного вторинноемісійного подвійного шару може бути використане при проектуванні і розробці пристроїв на базі пучково-плазмових систем, наприклад, нового типу джерела негативних іонів. Крім того, на цій основі запропоновано методику обробки поверхні твердих тіл у пучково-плазмових системах, яка застосовувалася в технологічних процесах нанесення і травлення тонких функціональних і декоративних покриттів.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] дисертантом виявлене формування сильного подвійного шару в плазмовому діоді на фронті плазми катодних плям. У роботі [2] здобувачем досліджені особливості генерації і прискорення пучків заряджених частинок у катодному шарі просторового заряду при зміні типу розряду в плазмовому діоді. У роботах [16, 24] дисертантом досліджена зміна структури, стаціонарних і динамічних ха-рактеристик катодного шару просторового заряду при зміні типу розряду в системах з поперечним магнітним полем і запропоновані ефективні режими роботи магнетронних розпилювальних систем для вакуумно-плазмового нанесення покриттів. У роботі [11] дисертантом досліджені тонка структура й емісійні характеристики катодного шару в пучково-плазмовій системі з поперечним магнітним полем. У роботах [3, 9] здобувачем виявлені ефекти зарядової декомпенсації при транспортуванні іонних пучків у поперечному магнітному полі і запропонована феноменоло-гічна модель утворення і динаміки віртуального анода. У роботі [5] дисертантом запропонований метод створення і просторової стабілізації сильних подвійних шарів у плазмовому діоді перепадом перетину розрядного проміжку, досліджені особливості розряду і формування пучків заряджених частинок. У роботах [13, 20] здобувачем запропонований і досліджений метод просторової стабілізації сильних подвійних шарів у потужнострумовому плазмовому діоді реверсивним магнітним полем і запропонована феноменологічна модель формування і руйнування сильного подвійного шару. У роботах [6, 19, 21] дисертантом проведене дослідження впливу неоднорідних магнітних полів на розподіл електричних полів і потоків частинок в об'ємі плазми пучково-плазмових систем з розрядом у поперечному магнітному полі і пучково-плазмовим розрядом, у тому числі, для оптимізації плазмових технологічних систем. У роботах [7, 8, 10] здобувачем виявлені ефекти токової автокомпенсації при транспортуванні іонних пучків у поперечному і квазіповздовжньому магнітному полі, розроблені феноменологічні моделі цих процесів, запропонований новий тип газорозрядного нейтралізатора і методи підвищення токової компенсації в пучково-плазмових системах холлівського типу. У роботі [14] дисертантом проведені теоретичні й експериментальні дослідження структури шару просторового заряду біля поверхні мішені в пучково-плазмовому розряді, виявлений і досліджений вторинноемісійний подвійний шар і досліджені його характеристики. У роботах [4, 12, 22, 23] здобувачем досліджений шар просторового заряду і режими транспортування заряджених частинок до гальванично ізольованого колектора в пучково-плазмовому розряді, виявлені іонний і електронний режими транспортування заряджених частинок до поверхні, запропоновані вакуумно-плазмові технологічні процеси травлення й осадження покриттів. У роботах [17, 18] дисертантом експериментально досліджена макроскопічна стійкість анодного шару просторового заряду і запропонована модель протікання розряду в сильному поперечному магнітному полі. У роботі [15] здобувачем проведене дослідження впливу електромагнітних полів на структуру анодного шару просторового заряду і запропоновані методи керування формою функції розподілу іонів за енергіями. Дисертанту належить визначальний вклад у підготовку статей і доповідей для публікацій.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на таких конференціях: Всесоюзная конференция по масс-спектрометрии (Сумы, 1986), VI Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям (Днепропетровск, 1986), XII Всесоюзная НТК по микроэлектронике (Тбилиси, 1987), Всесоюзный семинар “Плазменная электроника” (Харьков, 1988), Всесоюзный межотраслевой НТС “Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике” (Москва, 1988), VII Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Харьков, 1989), Second European Conference of Diamond, Diamondlike and Related Coatings (1991, Nice, France), НТС “Физические основы и новые направления в плазменной технологии микроэлектроники” (Москва, 1991), VI Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1993), 5^th European Conference on Diamond, Diamondlike and Related Materials (Tuscany, Italy, 1994), The 6^th European Conference on Diamond, Diamondlike and Related Materials (Barcelona, Spain, 1995), Міжнародна Наукова конференція присвячена Івану Пулюю (Львів-Тернопіль, 1995), Міжнародна конференція 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, Praga, 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, Praha, 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), 12^th International conference on High Power Particle Beams. BEAMS`98. (Haifa, Israel, 1998), 26^th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Maastrict, 1999), Всеросийская НТК “Микро- и нано-электроника 98” (Звенигород, 1999), III Международный симпозиум “Вакуумные технологии и оборудование” (Харьков, 1999), Euro-physics Workshop Role of Electric Fields in Plasma Confinement and Exhaust (Budapest, 2000), Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Crimea, Ukraine, 2000), 4-й Международный симпозиум “Вакуумные технологии и оборудование” (Харьков, Украина, 2001).

Публікації. За темою дисертації опубліковані 74 наукові праці, у тому числі 21 стаття, 2 патенти і 1 авторське свідоцтво, список яких наведено наприкінці автореферату.

Структура дисертації. Дисертація вступ вступу, сім розділів ос-новного тексту з 94 рисунками, висновки та список використаних літературних джерел із 337 найменувань. Повний обсяг дисертації становить 320 сторінок. Список використаних джерел міститься на 36 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі аналізується стан даної наукової проблеми на час початку роботи над дисертацією, обґрунтовується актуальність та доцільність роботи, формулюється мета і задачі дослідження, визначено зв'язок проведених досліджень із науковими програмами, вказується на наукову новизну і практичну цінність здобутих результатів, відображено особистий внесок здобувача в опубліковані разом із співавторами наукові праці, подано апробацію дисертації, вказано структуру і обсяг дисертаційної роботи. Викладено стислий зміст роботи по розділах.

У першому розділі наведено огляд теоретичних і експериментальних досліджень шарів просторового заряду в газорозрядних пучково-плазмових системах низького тиску з холодними катодами і механізмів формування, прискорення і транспортування пучків заряджених частинок. Проведено аналіз основних експериментальних і теоретичних результатів вивчення як поверхневих перехідних шарів просторового заряду (анодного, катодного й біля поверхні мішені), так і об'ємних (струмових електричних полів, подвійних шарів, віртуального емітера, об'ємного заряду в просторі транспортування). Визначено коло фізичних задач, що вимагають подальших досліджень з метою розв'язання проблеми підвищення ефективності формування, прискорення і транспортування пучків заряджених частинок у газорозрядних пучково-плазмових системах.

В другому розділі представлено опис схем експериментальних установок і принципів їх роботи, особливостей і конструктивного виконання окремих робочих вузлів. Крім того, наведено основні експеримен-тальні методики і перелік апаратури, що використовувалась у дослідженнях, а також описано діагностичні засоби.

У підрозділі 2.1 описано експериментальні установки і плазмові пристрої, які використовувались в дослідженнях, а саме:

ячейка Пенінга з довгим анодом, яка застосовувалась для досліджень анодного шару просторового заряду в поперечному магнітному полі і слабких електричних полів у повздовжньо неоднорідному магнітному полі;

серійний холлівський прискорювач з анодним шаром “Радикал”, який застосовувався в дослідженнях анодного шару, катодного шару в поперечному магнітному полі, віртуального анода, зарядової і струмової нейтралізації іонних пучків;

розрядний пристрій із геометрією планарної магнетронної розпилю-вальної системи, який застосовувався в дослідженнях катодного шару просторового заряду в поперечному магнітному полі при великих розрядних струмах, а також схема імпульсного електроживлення магнетрона;

експериментальна установка з перепадом перерізу розрядного проміжку та установка “Прямий Розряд - 3” (ПР-3), потужнострумові імпульсні плазмові діоди з довгим міжелектродним проміжком, які застосовувались в експериментах з вивчення умов формування і просторової стабілізації сильних подвійних електричних шарів в об'ємі прямого розряду при низькому тиску газу, а також у дослідженнях впливу таких шарів на динаміку розряду та формування пучків заряджених частинок;

установка “Прямий розряд-2” (ПР-2), яка застосовувалась в дослідженнях приелектродних подвійних електричних шарів і їх впливу на вторинно-емісійні процеси;

У підрозділі 2.2 описано діагностичні засоби, які застосовувались для вимірювання просторових і часових залежностей стаціонарних і динамічних параметрів плазми, а також описано методики вимірювання параметрів плазми. Зокрема наведено:

конструкції електричних зондів і різноманітні зондові методики вимірювання основних стаціонарних параметрів плазми, таких як густина за- ряджених частинок, їхня середня енергія і потенціал плазми;

конструкції вольфрамових термозондів прямого розжарення і плоского танталового термозонда непрямого розжарення, що застосовувались для дослідження приелектродних подвійних електричних шарів;

конструкція і принцип роботи електростатичного енергоаналізатора Юза-Рожанського за допомогою якого вимірювались енергетичні спектри заряджених частинок;

опис мас-спектрометричного пристрою контролю на базі радіочастотного монопольного мас-спектрометра РОМС-4, який застосовувався у дослідженнях поверхневих шарів просторового заряду на межі плазма - тверде тіло для реєстрації продуктів іонно-хімічного і електронно-стимульованого травлення поверхні твердих тіл;

опис діагностичних засобів, яки застосовувались під час вивчення динаміки протікання прямого розряду, формування і просторово-часової стабілізації подвійних електричних шарів в об'ємі розряду: омічних подільників напруги - для виміру напруги при розряді, трансформаторів струму (поясів Роговського) - для виміру струмів розряду, зовнішніх ємнісних зондів - для виміру розподілу потенціалу в розряді, НВЧ діагностики - для визначення розподілу густини плазми, магнітного датчика - для виміру напруженості магнітного поля.

У третьому розділі представлено результати досліджень стійкості, динамічних і стаціонарних характеристик анодного шару при впливі на нього власних і зовнішніх електромагнітних полів та впливу цих процесів на характеристики іонного пучка.

У підрозділі 3.1 розглянуто макроскопічну стійкість і динамічні характеристики анодного шару розряду в сильному поперечному магнітному полі. Дослідження макроскопічної стійкості і динаміки анодного шару розряду низького тиску в сильному поперечному магнітному полі показали, що при інжекції первинних електронів у катодну область розряд є нестійким. При виникненні нестійкості змінюється характер залежностей середніх розрядних струмів від зовнішніх параметрів розряду. Залежності розрядних струмів від величини магнітного поля і розрядної напруги стають нелінійними, причому істотні зміни характеру залежностей відбуваються при граничних значеннях зовнішніх параметрів

,

де - розмір розрядного проміжку;

характерний розмір анодного шару;

, та - заряд та маса електрону;

- розрядна напруга;

- електронна циклотронна частота;

, та - частота іонізації та повна частота електрон-атомних зіткнень.

Таким чином, існує межа переходу режиму газового розряду зі стаціонарного в турбулентний. Характерною рисою динаміки розрядних струмів є релаксаційний характер іонного струму на катод і імпульсне проходження електронного струму на анод розрядної системи. Результати експериментів указують на формування в катодній області і рух через розрядний проміжок до анода електронного шару об'ємного заряду, що переносить розрядний струм на анод. Завдяки тому, що швидкість генерації іонів у розряді визначається ударною іонізацією атомів робочого газу електронами, то миттєве значення іонного струму відповідає швидкості іонізації в електронному шарі, який рухається, і пропорційне кількості електронів у згустку. Швидкість іонізації, кількість електронів і об'ємний заряд збільшуються у міру того, як шар просувається від катода до анода розрядної системи. При цьому область падіння потенціалу рухається разом із шаром. В проміжку шар-катод відбувається практично повне екранування потенціалу й електричне поле відсутнє. Після поглинання електронного згустку анодом екранування зникає і електричне поле з'являється у катодній області розряду, де стимулює іонізаційні процеси за участю вторинноемісійних електронів, які надходять у розряд з катода. Електронний шар є нестаціонарним джерелом електронів та іонів, які рухаються на катод розрядної системи. Нестійкість приводить до сильної модуляції параметрів розряду і появі особливостей на стаціонарних струмових характеристиках.

Запропоновано феноменологічну модель для опису нестійкості, динамічних і стаціонарних характеристик розряду, яка доводить, що при шар замагнічених електронів густиною

,

де - рухливість електронів поперек магнітного поля;

- швидкість світу;

- напруженість магнітного поля,

формується в катодній області за рахунок іонно-електронної емісії з катода та іонізації в об'ємі. За початковий момент часу , приймається момент часу коли густина електронів у шарі досягла значення , а розмір анодного шару - такого значення , що об'ємний заряд шару є достатнім, щоб цілком екранувати зовнішнє електричне поле в точці на низько- вольтній межі шару.

При цьому струм первинних електронів з катода припиняється, шар відривається від катода і електрони за рахунок зіткнень рухаються до анода зі швидкістю дрейфу

де - напруженість електричного поля. В міру руху шару вбік анода густина електронів підтримується постійною, рівною , за рахунок балансу між наростанням кількості електронів у шарі внаслідок іонізації, збільшення розміру шару та відходу “зайвих” електронів уздовж магнітних силових ліній на катод з низьковольтної межі шару. Електрони утримуються лише в області при , що і визначає динаміку низьковольтної межі шару. Розраховано динамічні і середні характеристики розряду, проведено порівняння з експериментальними результатами. Наведено як приклад результати розрахунків динамічних характеристик анодного електронного шару просторового заряду.

У підрозділі 3.2 досліджено структуру анодного шару при впливі зовнішніх і власних електромагнітних полів і представлені результати дослідження модифікацій функції розподілу іонів за енергіями зміною профілю густини електронів в анодному шарі за рахунок впливу неодно-рідним стаціонарним магнітним, а також власними і зовнішніми високо-частотними електричними полями. Експериментально і теоретично доведено, що локальну зміну густини електронів в анодному шарі можливо здійснити за допомогою неоднорідного магнітного поля. При наявності неоднорідного магнітного поля в анодному шарі, такого, що поперечна довжина іонізації менше характерного розміру зміни магнітного поля

,

де - ларморовський радіус електрона,

залежність густини електронів у шарі від локальної величини напруженості магнітного поля не змінюється.

Використання профільованих катодів у наших експериментах створює модуляцію магнітного поля уздовж розрядного проміжку, що призводить до просторової модуляції густини електронів в анодному шарі та до зміни функції розподілу іонів за енергіями. Профільоване магнітне поле дозволяє керувати формою функції розподілу іонів за енергіями. Для підвищення енергетичної ефективності холлівського прискорювача необхідно застосовувати неоднорідне магнітне поле з максимальною напруженістю на анодній межі шару, що дозволяє здобути переважну генерацію іонів поблизу анодної межі шару.

Експерименти зі збудженням власних дрейфових коливань анодного шару і зовнішньої високочастотної хвилі довели, що існує гранична амплітуда коливань, з перевищенням якої починається деформація функції розподілу іонів за енергіями. Вплив ВЧ-електричних полів на динаміку електронів в анодному шарі особливо сильно виявляється в області гідродинамічного резонансу

де та - частота і хвильовий вектор високочастотної хвилі, - швидкість дрейфу електронів. При цьому положення деформації на функції розподілу іонів за енергіями при параболічному розподілі потенціалу в анодному шарі визначається виразом

,

де - радіус дрейфу.

При зміні зовнішньої ВЧ-потужності енергетична ширина і глибина зони деформації змінювалися пропорційно амплітуді коливань. Експерименти доводять, що взаємодія дрейфового електронного потоку в анодному шарі холлівського прискорювача з власними чи зовнішніми високочастотними електричними полями призводить до локальної зміни рухливості і густини електронів, а також до зменшення швидкості генерації іонів у визначеному енергетичному інтервалі.

На основі аналізу руху електронів в анодному шарі в дрейфовому наближенні визначено, що при збудженні ВЧ-хвилі навколо точки гідродинамічного резонансу спостерігається ефект вихрового руху електронів і змінюється масштаб переносу електронів поперек магнітного поля. Локалізація зони аномального переносу електронів і деформації форми функції розподілу іонів за енергіями визначаються такими параметрами ВЧ-поля, як частота і довжина хвилі, а просторовий (енергетичний) масштаб - широм швидкості та амплітудою ВЧ-поля. У дрейфовому електронному шарі з постійною густиною електронів, характерному для холлівських систем, розмір області електронного вихру в напрямку постійного електричного поля складає:

,

де - амплітуда високочастотного поля.

Наведено як приклад результати чисельних розрахунків траєкторій руху електронів в координатному просторі за умов характерних для експериментів на холлівському прискорювачі.

Аномальний беззіткневий переніс призводить до зменшення густини електронів у цій зоні і зменшення швидкості іонізації, і, як наслідок, до зменшення кількості іонів з відповідною енергією, що спостерігається як “провал” в функції розподілу іонів за енергіями. Відносне зменшення густини в області гідродинамічного резонансу пропорційне відношенню швидкостей зіткневого і вихрового руху електронів поперек магнітного поля і є особливо суттєвим при низьких тисках та визначається виразом

,

де - середня густина електронів в області вихру;

- довжина ВЧ-хвилі в напрямку дрейфу електронів в стаціонарних електричному і магнітному полях.

У четвертому розділі досліджено структуру катодного шару в пучково-плазмових системах з холодними електродами. Вивчено динамічні і стаціонарні характеристики катодного шару при зміні режимів розряду і їхній вплив на процеси в газорозрядних пучково-плазмових системах.

У підрозділі 4.1 проведено експериментальні і теоретичні дос-лідження емісійних характеристик примежового шару просторового заряду поблизу холодного катода у високовольтному (з анодним спадом напруги) і потужнострумовому (з катодним спадом) режимах розряду з поперечним магнітним полем і їхній вплив на характеристики газорозрядних пучково-плазмових систем. Виявлено, що в тліючих розрядах з поперечним магнітним полем можливі два типи процесів на катоді: з обмеженням емісійного струму негативним об'ємним зарядом і без нього (подібно вільному і не-вільному режимам у розрядах з термокатодом). У високовольтному режимі (з анодним спадом прикладеної напруги)

,

де - струм іонів, що прискорені анодним падінням електростатичного потенціалу ;

- маса іона;

- катодне падіння потенціалу;

- середня кількість осциляцій електронів до зіткнення.

При поблизу поверхні катода формується подвійний електричний шар, який обмежує емісійний струм. Утворення негативного об'ємного заряду поблизу катода стає можливим завдяки осциляціям електронів у магнітному полі та інжекції іонного пучка з анодного шару.

В аномальному режимі (з катодним спадом напруги) гранична густина емісійного струму дорівнює

,

де - Бомовський струм іонів з позитивного стовбуру квазінейтральної плазми, який розташований між анодним та катодним шарами.

Чисельні оцінки показують, що в усьому діапазоні параметрів потужнострумового розряду виконується умова , тобто обмеження емісійного струму немає. При цьому поблизу катода існує сильне електричне поле, яке в умовах високої густини іонного струму може провокувати пробої та утворення катодних плям.

У підрозділі 4.2 викладено результати досліджень динамічних процесів у катодному шарі при переході розряду з тліючого в дуговий. Проведено просторово-часові вимірювання розподілу потенціалу і густини плазми в катодній області потужнострумового плазмового діода для дос-лідження динамічної структури шару в умовах появи катодних плям. При прикладенні до заповненого плазмою проміжку високої напруги плазма поляризується і в катодній області утворюється шар позитивного об'ємного заряду. Під дією поля цього заряду відбувається вибух мікровістрів і пробій діелектричних плівок на поверхні катода, що приводить до утворення катодних плям, які генерують густі плазмові утворення, межа яких розширюється і відсуває від катода область сильного електричного поля. Швидкість поширення густої плазми поперек магнітного поля в два-три рази менше за швидкість поширення уздовж магнітного поля. Між густою плазмою цих утворень і катодом існує катодний спад потенціалу порядку 50 В (як у звичайній вакуумній дузі), який забезпечує беззупинне надходження зарядів з катода в плазму. З поверхні густої плазми, яка рухається, за рахунок теплового руху електронів відбувається емісія електронів, які утворюють поблизу поверхні густої плазми негативний об'ємний заряд. Таким чином, в області переходу від густої катодної до більш розрідженої основної плазми утворюється подвійний електричний шар об'ємного заряду, на якому зосереджується основний спад потенціалу розрядного проміжку . Виникнення подвійного шару в катодній області діода з розвиненими емісійними центрами на катоді і, як наслідок цього, генерація потужних електронних пучків на початковій стадії розвитку розряду пояснюється тим, що густина струму іонів із плазми розрядного проміжку в плазму катодних плям через поверхню, яка розділяє ці плазми, недостатня для біполярного переносу всього струму, який може забезпечити джерело живлення. При цьому

,

де - швидкість поширення фронту плазми катодних плям;

- температура електронів;

- коефіцієнт порядку одиниці, обумовлений просторовим розподілом швидкостей іонів основної плазми.

Електрони та іони прискорюються назустріч один одному в подвійному шарі. Густини електронного та іонного струмів у шарі відносяться як .

Пучки заряджених частинок, які взаємодіють з плазмою, нагрівають її. При цьому густина електронів у пучку відноситься до густини ос- новної плазми як

.

Струм розряду визначається виразом:

,

де - площа перерізу каналу струму пучка електронів.

Таким чином, доведено, що перехід із тліючого розряду в дуговий у плазмовому діоді проходить через стадію утворення подвійного шару просторового заряду, який рухається на фронті плазми катодних плям і генерацію потужних електронних і іонних пучків, які призводять до збільшення генерації заряджених частинок в об'ємі газорозрядної системи, що потрібно для переходу до дугового розряду, обмеженому зовнішніми параметрами ланцюгу.

У підрозділі 4.3 викладено результати досліджень динаміки процесів у катодному шарі при переході з магнетронного розряду в дуговий в імпульсному розряді в поперечному магнітному полі. Дослідження проведені в потужнострумовій імпульсній магнетронній розпилювальній системі, де основна увага зверталася на параметри розряду в напрямку поперек магнітного поля. Встановлено особливості переходу розряду з магнетронного в дуговий. Визначені електрофізичні параметри системи електроживлення і розрядної системи, які визначають зміни типу розряду. Проведено порівняльні технологічні іспити системи при різних типах розряду: стаціонарному магнетронному, імпульсному магнетронному та імпульсному дуговому. Дуговий розряд у поперечному магнітному полі має свої особливості. При малих розрядних струмах розряд характеризується підвищеною напругою , яка змінюється пропорційно напруженості магнітного поля та току розряду. Структура плазмового шнура подібна до магнетронної - плазмовий тор, який рівномірно світиться з катодними плямами в зоні ерозії мішені в області магнітної пастки. При збільшенні розрядного струму структура плазмового стовбура змінюється, тому що конфігурація магнітного поля втрачає утримуючі властивості, а дуговий розряд переходить з розряду з поперечним магнітним полем у розряд із квазіповздовжним магнітним полем. При цьому між катодом і анодом видно струмові канали (шнури), розподіл розрядного струму по поверхні анода стає нерівномірним, різко збільшується ерозія в слідах катодних плям на мішені, зростає кількість і розміри крапель у конденсаті, спад напруги на розряді зменшується до , що характерно для дугових вакуумних розрядів у повздовжньому магнітному полі.