ОПТИМИЗАЦИЯ ЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОДА В ЭЛЕКТРОННОМ ИСТОЧНИКЕ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ В ФОРВАКУУМЕ

OPTIMIZATION OF EMISSION ELECTRODE IN ELECTRON SOURCE WITH PLASMA CATHODE UNDER FOREVACUUM PRESSURES

Yury Yushkov

Ph.D., Senior Research Fellow, Department of Physics at Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics

Russia, Tomsk

Denis Zolotukhin

graduate student of the Department of Physics at Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics

Russia, Tomsk

Andrey Tyunkov

Ph.D., Senior Research Fellow, Department of Physics at Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты модернизации плазменного источника электронов на основе разряда с полым катодом, которая заключалась в оптимизации ускоряющей системы источника. На основе предварительных расчетов, были спроектированы и изготовлены несколько многоапертурных ускоряющих электродов из тантала, которые имели различное количество и конфигурацию эмиссионных отверстий. Анализ экспериментальных данных о токопрохождении и мощности пучка с использованием этих электродов позволил определить оптимальную геометрию ускоряющего электрода.

ABSTRACT

The article presents the results of the modernization (optimization of the accelerating system) of the plasma electron source based on a discharge with a hollow cathode. Based on preliminary calculations, it has been designed and built several multi-aperture accelerating electrodes of tantalum which have a different number and configuration of the emission holes. Analysis of experimental data on the current transport and beam power obtained with these electrodes allowed us to determine the optimal geometry of the accelerating electrode.

Ключевые слова: электронный пучок, плазма, испарение керамики.

Keywords: electron beam, plasma, ceramics evaporation.

Форвакуумные плазменные источники электронов [3], функционирующие в форвакуумном диапазоне давлений,  успешно используются для модификации поверхностей непроводящих материалов таких как алюмооксидная и циркониевая керамика [1], для получения диэлектрических покрытий на основе бора [5], сварки металла c керамикой [2] и т.д. Одним из важных параметров применительно к обработке материалов является плотность мощности электронного пучка, поэтому исследование влияния параметров эмиссионного электрода на плотность мощности формируемого пучка является важной задачей. Эксперименты проводились на установке подробно описанной в [4]. На основе предварительных расчетов, было спроектировано и изготовлено несколько многоапертурных ускоряющих электрода из тантала, которые имели различное количество и конфигурацию эмиссионных отверстий (рис. 1).

Рисуок 1. Перфорированные электроды

Для каждого из этих электродов были получены экспериментальные зависимости тока пучка от давления и ускоряющего напряжения при разных токах разряда. Анализ экспериментальных данных о токопрохождении и мощности пучка для этих электродов позволил определить оптимальную с точки зрения величины тока пучка и стабильности горения разряда геометрию ускоряющего электрода  (№2). Для этого электрода, были сняты зависимости тока пучка от ускоряющего напряжения при разных токах разряда (рис. 2), и плотности мощности пучка от ускоряющего напряжения при разных токах разряда (рис. 3).

Рисунок 2. Зависимости тока пучка от ускоряющего напряжения при разных токах разряда

Рисунок 3. Зависимости плотности мощности пучка от ускоряющего напряжения при разных токах разряда

Таким образом, были проведены экспериментальные исследования, в результате которых определена мощность электронного пучка, необходимая для испарения керамики. Получены экспериментальные зависимости тока пучка от ускоряющего напряжения при оптимальной конфигурации ускоряющего электрода. Определена предельная мощность и плотности мощности электронного пучка от ускоряющего напряжения при различных параметрах (ток разряда, давление).

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ № 16-38-60059 мол_а_дк.

Список литературы:

1. Бурдовицин В.А. Модификация поверхности керамики импульсным электронным пучком, генерируемым форвакуумным плазменным источником / В.А. Бурдовицин, Е.М. Окс, Е.В. Скробов, Ю.Г. Юшков // Перспективные материалы. - 2011. - № 6. - С. 77-82.
2. Юшков Ю.Г. Исследование инициирования электрического разряда в воде при разработке электрогидравлической технологии / Ю.Г. Юшков, А.С. Климов, Е.А. Гричневский, А.Ю. Юшков // В сборнике материалов Международной научной конференции «Технические науки: теория и практика». Чита: Издательство Молодой ученый, 2012. - С. 139-141.
3. Tyunkov A.V. Generation of metal ions in the beam plasma produced by a forevacuum pressure electron beam source / A.V. Tyunkov, Yu.G. Yushkov, D.B. Zolotukhin, A.S. Klimov, K.P. Savkin // Physics of Plasmas. - 2014. - Т. 21, № 12. -С. 123115.
4. Yushkov Y.G. Inverse time-of-flight spectrometer for beam plasma research / Y.G. Yushkov, E.M. Oks, D.B. Zolotukhin, A.V. Tyunkov, K.P. Savkin // Review of Scientific Instruments. - 2014. - Т. 85, № 8. - С. 083306.
5. Yushkov Yu. G. Electron beam evaporation of boron at forevacuum pressures for plasma-assisted deposition of boron-containing coatings / Yu. G. Yushkov, A.V. Tyunkov, E.M. Oks, D.B. Zolotukhin // Journal of Applied Physics. – 2016. – Vol. 120, №23. – P. 233302.