Исследование генерации импульсного электронного пучка в плазменном эмиттере на основе дугового разряда низкого давления

В настоящее время низкоэнергетические субмиллисекундные
электронные пучки с плазменным катодом активно применяются для
модифицирования поверхности металлических и металлокерамических
материалов, а также используются для исследований в этой области [1].
Модифицирование поверхности стали электронным пучком может включать в
себя несколько технологических операций, например, предварительный
нагрев, электронно-пучковую полировку, закалку, перемешивание в
поверхностном слое покрытия со стальной основой. Каждая операция требует
специфических параметров электронного пучка, которые, в общем случае,
различны для разных марок стали. Плазменный источник электронов может
работать в различных режимах обработки поверхностей металлов, так как
параметры в плазменном источнике электронов с плазменным катодом на
основе дугового или тлеющего разряда, и как правило для источников с
сеточной стабилизацией границы плазмы источника можно варьировать
независимо друг от друга. Следует развивать уже достигнутые параметры и
расширять диапазоны основных рабочих характеристик.
В рамках магистерской диссертации было проведено исследование
потенциала катодной плазмы в зависимости от параметров эмиттера,
поскольку существует необходимость контролировать процессы плазменно-
пучковой обработки для улучшения эксплуатационных свойств
металлических и металлокерамических изделий. Поэтому важно
контролировать такую характеристику разряда как потенциал плазмы,
который позволяет понять физические процессы, происходящие в ней и
прогнозировать ее свойства.
Для измерения потенциала плазмы существует целый ряд методик
диагностики плазмы, подразделяющихся на бесконтактные
(спектроскопическая, оптическая и термографическая) и контактные
(зондовая, электромагнитная, болометрическая). Особое место среди
перечисленных методов занимает зондовая диагностика плазмы,
предложенная Ленгмюром [2], которая, как и прочие контактные методы, не
вносит возмущения в плазму. Однако возмущения локализуются в слоях
плазмы, прилегающих к поверхности зонда, а параметры призондовой плазмы
удается связать с ее объемными характеристиками. А поскольку зонд может
выдержать ограниченный энергетический поток частиц, измерить им можно
только низкотемпературную плазму. Важным преимуществом данного метода
среди прочих является локальность измерений, простота используемой
аппаратуры и возможность подбора конструкции зонда под особенности
разряда.
Из множества известных конструкций зондов для измерения параметров
низкотемпературной плазмы наиболее эффективными являются плоский зонд
с охранным кольцом и «плавающий» эмиссионный зонд. Выбор плоского
зонда с охранным кольцом, в сравнении с обычным плоским (зонд Ленгмюра)
обусловлен тем, что его конструкция позволяет уменьшить влияние краевых
эффектов. А эмиссионный плавающий зонд непосредственно, в пределах
своей точности, указывает потенциал плазмы без последовательных
измерений по точкам или обработки полученных данных. Благодаря этому
эмиссионный зонд позволяет следить за изменениями потенциала плазмы
вплоть до нижних частот ВЧ-диапазона.
Зная, как зависит потенциал плазмы от параметров разряда можно не
только управлять параметрами разряда, но и модернизировать источник
электронов под определенные задачи и применения.
Таким образом целью данной работы является определение потенциала
плазмы в течение импульса тока разряда плазменного источника электронов с
сеточной стабилизацией эмиссионной границы.
Важным требованием при эффективной плазменной обработке деталей
является управление характеристиками газового разряда низкого давления.
Для исследований разряда главные задачи состоят в определении
распределения электрических потенциалов в разрядной ячейке, а также
разработать методику и оборудование для измерения катодного потенциала.
1. Электронные источники с плазменным эмиттером
В настоящее время существуют различные источники электронов с
плазменным эмиттером, которые используются для фундаментальных и
прикладных задач, например, обработки материалов в вакууме, полировки
металлов, модифицирования поверхности металлических изделий. Создание
источников с плазменным катодом обусловлено преимуществами перед
традиционно используемыми термоэмиссионными катодами, например, более
высокая плотность эмиссионного тока, способность к импульсной эмиссии,
более широкий диапазон давлений остаточного газа и ряд других. Важная
особенность плазменного катода состоит в возможности отбора из плазмы
практически всех электронов, генерируемых в разрядном промежутке. Это
обуславливает высокую эффективность эмиттера электронов такого типа [3].
Далее в главе приводятся действующие плазменные источники для генерации
электронного пучка, их конструкция и основные параметры, а также
достоинства и недостатки.