ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАПЫЛЁННОЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ

ЧаСТЬ I Вторая часть данной статьи распложена в

нашем журнале по адресу zhurnal.ape .relarn .ru/2001/021 .pdf

М.А. Алсайед Али (ali@masa.as) Московский физико-технический институт

Введение. Постановка задачи.

В последнее время запылённая неравновесная плазма привлекает все большее внимание и как объект фундаментальных исследований, и с точки зрения приложений. Одним из важных направлений в изучении запыленной плазмы является получение и исследование свойств упорядоченных пространственных структур микрочастиц в плазме (так называемых пылевых плазменных кристаллов) [2]. Предполагается, что такие структуры могут найти достаточно много применений в технике и технологии, например:

в микроэлектронике - в технологиях плазменного осаждения тонких слоев различных материалов, поверхностного легирования и травления;

в технологических процессах плазмохимической обработки порошков;

для создания плазменных образований со специальными радио оптическими свойствами и др. Не меньший интерес представляет исследование способов управления динамикой, структурой и

свойствами пылевых кристаллов посредством изменения условий генерации плазмы, а также за счет различных внешних воздействий на уже сформированную упорядоченную структуру.

К настоящему времени достаточно хорошо отработаны методы получения пылевых кристаллов в плазме газового ВЧ-разряда. Вместе с тем, весьма актуальными являются поиски альтернативных способов генерации запыленной плазмы, в частности - с помощью электронного пучка, инжектируемого в облако мелкодисперсного аэрозоля. Рассматриваются также комбинированные схемы, например гетерогенная гибридная плазма, которая образуется при одновременном воздействии на плазмообразующую среду (в данном случае - мелкодисперсный аэрозоль) высокочастотного электрического поля и быстрых электронов. Ожидается, что в последнем случае с помощью электронного пучка можно эффективно управлять процессами генерации запыленной плазмы и получения пылевых структур.

Основной задачей, решавшейся в данной работе, являлось исследование динамики частиц мелкодисперсного аэрозоля в электронно-пучковой плазме (ЭПП), генерируемой инжекцией непрерывного концентрированного ЭП в запыленную газообразную среду. При этом особое внимание было уделено изучению влияния давления разных газов на процессы электростатической зарядки частиц аэрозоля в ЭПП их движения под действием кулоновских сил. Исчерпывающее описание этих процессов возможно только при самосогласованном решении весьма сложных, даже взятых по отдельности, электронно-кинетических, тепловых и электрофизических задач с учетом сложных плазмохимических процессов в неравновесной гетерогенной плазме и вторично-эмиссионных явлений на поверхности частиц аэрозоля. В настоящее время аналитическое и численное решение такой задачи не представляется возможным, поэтому предпочтение было отдано экспериментальным методам исследования.

При экспериментальных исследованиях запыленной плазмы одним из центральных вопросов является регистрация картины потенциала в камере установки при разных давлениях и разных газов. Чтобы применяемые методы диагностики позволяли изучать динамику отдельных частиц плазмозоля и трансформации пространственных структур.

Таким образом, целью работы было:

Исследования распределения интенсивности тока в поперечном сечении электронного пучка, прошедшего слой аэрозоля.

Создать конструкцию, пригодную для исследования регистрация картины потенциала в камере установки.

Экспериментально исследовать интенсивность разлёта мелкодисперсного аэрозоля в зависимости от условий генерации ЭПП; в частности, найти характерные значения давления плазмообразующего газа, при которых разлёт частиц не наблюдается. 1. Плазменная установка высокого давления.

Рис.1. а Принципиальная схема стендового варианта генератора ЭП-плазмы. 1-электронно-лучевая пушка, 2 - высоковаккумная камера, З - задвижка, 4 -ВУ, 5 - рабочая камера, б - натекатель, 7 -баллон с рабочим газом, 8 -паромясляной насос, 9 - высоковольтный кабель, 10 - охлаждаемый токоприемник, ТВБ - трансформаторно-выпрямительный блок (источник питания).

Эксперименты проводились на генераторе ЭП-плазмы (рис.1.), принципиальная схема установки представлена на [рис.1 а]. Электронный прожектор электронно-лучевой пушки 1 размещен в высоковакуумной камере 2, являющейся полостью вакуумного затвора Dy 400 и откачиваемой паромасляным насосом 8. Камера 2 имеет смотровое окно для визуального прицеливания ЭП на торец вставки выводного устройства 4. В промежуток между высоковакуумной камерой и ВУ врезана задвижка З, которая закрывается на время разгерметизации рабочей камеры 5, например, с целью перезагрузки последней.

Через ВУ 4 пучок инжектируется в рабочую камеру 5, представляющую собой прямоугольный параллелепипед со сторонами 800х350х350мм, сваренный из листа нержавеющей стали 1Х18Н1ОТ толщиной 10 мм. На одной из сторон камера имеет люк для доступа внутрь, а на противоположной стенке находится смотровое окно диаметром 250 мм и толщиной 80 мм, через которое можно визуально наблюдать процессы, происходящие в камере.

Окно изготовлено из радиационно-защитного стекла ТФ-б. В камере имеется также несколько дополнительных окон малого диаметра, на которые могут быть установлены сменные стекла (в зависимости от требуемого диапазона пропускаемых длин волн) или оптоволоконные шайбы. Через эти окна осуществлялось наблюдение за процессами с помощью оптических приборов.

2. Плазменная установка низкого давления.

Рис.2. Принципиальная схема экспериментальной установки. 1-Электронно-лучевая пушка, 2-просьапное устройство, 3-цилиндр фарадея, 4-эонд, 5-високовольтный кабель, б-паромасляный насос, 7-электронный пучок, ТВВ-трансформаторное-выпрямительный блок (источник питания)

Исследования распределения интенсивности тока в поперечном сечении электронного пучка,

прошедшего слой аэрозоля, проведено на установке принципиальная схема которой изображена на рис 2. ЭП (7) с энергией до 30 Кэв и током до 400 мА генерируется электронно-лучевой пушкой

КЭП-4М (1), размещённой в высоковакуумной камере (8). Давление в камере порядка 5.10-5 Торр поддерживается с помощью поромаслянного насоса 6. Камера 8 имеет смотровое окно для визуального контроля процесса измерений. ЭП, пройдя запылённую область, генерируемую с помощью специально разработанного просыпного устройства (2), попадает в цилиндр Фарадея (З).

3. Диагностика электронного пучка

3.1. Экспериментальные методы диагностики электронного пучка

Для диагностики пучка, прошедшего слой аэрозоля использовался самостоятельно разработанный колеблющийся сканнер (рис.За.). Длина рабочего плеча сканнера 200мм. Рабочая часть (т.е. участок, непосредственно пересекающий ЭП) представляет собой танталловую пластину размером 40х 15.8мм.

Колебания происходят в плоскости перпендикулярной рисунку с частотой ~5 Гц. Ток со сканнера, а также с цилиндра Фарадея через нагрузочные сопротивления в 100 ком оцифровывается платой АЦП Ла-70 (аналогово-цифровой преобразователь) и сохраняется в ЭВМ. Также есть возможность получения осциллограмм данных сигналов при помощи фото осциллографа. Для дальнейшей обработки оцифрованных зондограмм разработано специальное программное обеспечение, позволяющее проводить сглаживание, учёт нестабильности полного тока пучка,

А В

Рис.3. Два типа колеблющих сканнеров

Рис.4. обработка экспериментальных данных. ЭП-поперечное сечение электронного пучка, С - сканнер.

выделение информационных участков зондограммы (т. е. участков, соответствующих периодам времени, на протяжении которых сканнер пересекает ЭП) и преобразование полученных данных в распределение плотности тока по радиусу пучка (при этом ЭП предполагается осе симметричным), используя известное преобразование Абеля.

Пусть в некоторый момент времени сканнер перекрывает некоторую часть ЭП (рис.4.). Все электроны из заштрихованной области попадают на сканнер. Сигнал, снимаемый с зонда пропорционален потоку электронов через эту область. В следующий момент времени зонд сместится на расстояние dx и будет перекрывать несколько большую область. Соответственно разность сигналов с зонда в соседние моменты времени пропорциональна потоку электронов через полосу шириной dx. Разделив эту разность на dx в каждый момент мы получим табличную функцию распределения плотности потока электронов по хордам f(x). Применив к этой функции преобразование Абеля моно перейти к искомой функции распределения плотности тока по радиусу.

В то время, как электроны из заштрихованной области попадут на сканнер, оставшиеся электроны пучка попадут в цилиндр Фарадея. Соответственно в следующий момент времени в цилиндр Фарадея попадёт меньшее количество электронов. Разделив разность величин сигналов с цилиндр Фарадея в соседние моменты времени на dx, получим точно такую же функцию распределения f(x).

Данные, полученные оцифровкой сигнала с зонда или цилиндр Фарадея, содержат в себе шумы и наводки, связанные как и с не идеальностью используемых приборов и случайными помехами, так и некоторыми особенностями используемой электронно-лучевой пушки. При обработке данных эти факты должны быть учтены и по возможности устранены или сведены к минимуму. Разработка программы производилась на языке C++, операционная система. Windows98.

3.2. Методика проведения экспериментов

Существующая экспериментальная установка позволяет производить измерения функции распределения плотности тока ЭП с полным током 2-7 мА. ЭП с полным током более 1 0 мА может повредить сканнер. Меняя напряжение, подаваемое на электродвигатели сканнера или просыпного устройства, можно изменять частоту колебаний сканнера и концентрацию аэрозольного облака.

Программное обеспечение, поставляемое производителем вместе с платой АЦП ЛА-70, позволяет производить непрерывную оцифровку и запись на диск до 8 сигналов одновременно с частотой дискретизации вплоть до 75 Кгц. Далее данные обрабатываются специально разработанным программным обеспечением и результаты выводятся на монитор в виде графиков и в виде электронных таблиц сохраняются на диск. Также в комплект поставки входит программа виртуальный осциллограф , позволяющая отображать сигналы на мониторе компьютера в режиме реального времени. Она позволяет легко провести настройку экспериментальной установки.

3.3. Полученные результаты и их обсуждение

В работе было исследовано влияние аэрозольного облака на распределение интенсивности тока в поперечном сечении ЭП различной интенсивности. Была проведена серия экспериментов, в которых проводились измерения ЭП в начале без аэрозоля, а затем с его присутствием и, после обработки, сравнивались полученные радиальные функции распределения плотности тока (ФР).

На рис.5 приведен график функции распределения для ЭП не разрушенных аэрозолем. Верхняя кривая получена путём обработки сигнала, снятого с цилиндра Фарадея (ЦФ), нижняя -обработкой зондового сигнала. Можно видеть, что сигнал с зонда примерно вдвое меньше сигнала с ЦФ. Это объясняется тем, что ЦФ поглощает все попавшие на него электроны и по сигналу, снятому с него, можно определить число электронов, попавших на него без каких-либо дополнительных измерений. Зонд же отражает некоторую часть электронов, поэтому для количественных оценок необходимы дополнительные измерения функции реакции зонда. В этом смысле способ, основанный на ЦФ, представляется более предпочтительным.

Рис. 5. Распределение плотности тока в поперечном сечении ЭП без аэрозоля. Верхняя кривая получена путём обработки сигнала с цилиндра Фарадея, нижняя - с зонда.

На рис.6 представлена ФР пучка, прошедшего аэрозольное облако. Как и в предыдущем случае, верхняя кривая получена обработкой сигнала с ЦФ, а нижняя - с зонда. Видно, что из-за низкой концентрации аэрозоля качественный вид графика практически не изменился. Из-за особенностей устройства, генерирующего аэрозоль (порошок просыпается сверху не пучок), осе симметричность пучка несколько нарушается, особенно по краям, где относительное искажение особенно велико. Этим объясняется шум по краям функции распределения, так как в этом случае преобразование Абеля, предполагающее симметрию ФР, некорректно. При более высоких концентрациях наблюдается сильное разрушение пучка.

Рис.б.Распределение плотности тока в поперечном сечении ЭП, прошедшего запылённую область. Верхняя кривая получена путём обработки сигнала с цилиндра Фарадея, нижняя - с зонда.

При взаимодействии аэрозоли с ЭП частицы, поглощая попадающие на них электроны, приобретают отрицательный заряд. Под действием отталкивающих кулоновских сил, частицы ускоряются и разлетаются. Этот процесс хорошо наблюдается через смотровое окно в вакуумной камере. При небольшой концентрации аэрозоли и достаточной мощности ЭП практически все частицы приобретают необходимый заряд не достигнув центра пучка.

На рис.7. совмещены ФР пучка, прошедшего аэрозоль (нижняя кривая), и неразрушенного пучка (верхняя кривая). Как и следовало ожидать, заметные различия интенсивности (~5%) наблюдаются только по краям пучка, в то время как центральные части ФР обоих пучков практически совпадают. Таким образом., можно утверждать, что на трассе распространения ЭП плотность частиц аэрозоли уменьшается (из-за их разлёта в радиальном направлении, рис.8.). Соответственно, влияние аэрозоля на характеристики ЭП ослабевает.

j UL? J КН: 4UU С.Йв Ы1№ ......

Рис.7. Распределения плотности тока в поперечном сечении ЭП. Верхняя кривая - ЭП, не прошедший аэрозоль. Нижняя - ЭП, прошедший запылённую область.

Рис.8. Снимок разлёта аэрозоли, взаимодействующей с электронным пучком

Выводы.

1. Разработана и отлажена экспериментальная установка для исследования транспортировки электронных пучков с энергией электронов 20-З0 Кэв и с полным током пучка до 100мА

через запылённую среду при рабочем давлении 5.10-5 Торр.

2. Разработан аппаратно-программный комплекс для экспериментального исследования распределения плотности тока j(r) в поперечном сечении концентрированного электронного пучка, прошедшего слой диэлектрического аэрозоля (AI2O3).

3. С помощью данного комплекса проведёны измерения j(r) электронных пучков с полным током до 7 мА и энергией электронов до 30 Кэв, прошедших запылённую область с различной концентрацией аэрозоля. Получены функции распределения плотности тока в поперечном сечении ЭП на разных расстояниях от фокальной плоскости.

4. На основании полученных экспериментальных данных можно утверждать, что наличие аэрозоля на трассе распространения ЭП приводит к изменению j(r).

5. Предложена физическая модель, объясняющая полученные данные. Сделано экспериментально подтверждённое предположения об уменьшении плотности аэрозоля вблизи трассы распространения ЭП.

6. Проведено исследование стабильности электронного пучка во времени и предложен способ учёта нестабильности ЭП при измерении j(r) посредством программной коррекции.

Литература:

1. Алсайед Али М.А. Экспериментальное исследование запылённой электронно-пучковой плазмы. XLIII научная конференция, 24 ноября-9 декабря 2000 года. Москва-Долгопрудный. Московский физико-технический институт. Современный проблемы фундаментальных и прикладных наук, Часть III Аэрофизика и космические исследования, Стр 4.

2. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Кортеев А.С. Электронно-пучковая плазма. -М.:Изд-во МГОУ А/О Росвузнаука (1993).

3. Vasilev M. N. Gorshkov A.V. Tomographic method for measuring distribution function in trajectory and phase space in charged particle beams monitors. Instruments and experimental techniques, Vol 37, No 5, Part 1, 1994.