Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
На правах рукопису
УДК 533.9.01
КАШАБА Андрій Євгенович
ПЛАЗМОВА КОМПЕНСАЦІЯ ІОННИХ ПУЧКІВ В ПОПЕРЕЧНОМУ МАГНІТНОМУ ПОЛІ
.04.08 фізика плазми
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному університеті
Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент
БІЗЮКОВ Олександр Анатолійович,
Харківський державний університет, доцент кафедри фізики плазми ;
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
ПАДАЛКА Валентин Глібович,
Державний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”, завідувач кафедри фізики;
кандидат фізико-математичних наук, ст. науковий співробітник
ФЕДОРЧЕНКО Володимир Дмитрович,
Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут” (ННЦ ХФТІ), ст. науковий співробітник.
Провідна установа: Науковий фізико-технологічний центр Міносвіти та НАН України, м.Харків.
Захист відбудеться “”червня 1999р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 Харківського державного університету за адресою: 310108, м. Харків-108, пр. Курчатова, 31, ауд.301.
З дисертацією можна ознайомитись у центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету.
Автореферат розісланий “” травня 1999р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Письменецький С.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. За теперішнього часу поряд з дослідженнями, спрямованими на отримання енергії термоядерного синтезу, активно проводяться фундаментальні і прикладні дослідження газорозрядної плазми як джерела інтенсивних потоків заряджених частинок для плазмових прискорювачів і космічних електрореактивних двигунів, отримання інтенсивних пучків іонів і нейтральних частинок для технологічних цілей. Результати цих досліджень використовуються при розробці вакуумно-плазмових технологій для виробництва напівпровідникових пристроїв в мікроелектроніці, нанесенні антикорозійних, зносостійких і декоративних покриттів в промисловості та інших цілей.
Серед різноманітності вакуумно-плазмових технологій особливе місце займають іонно-плазмові методи обробки поверхні твердого тіла, за допомогою яких можуть бути удосконалені існуючі і розроблені принципово нові технологічні процеси, такі як вилучення шарів з обробляємої поверхні у виробництві субмікронних надвеликих інтегральних схем і напівпровідникових пристроїв, очищення і полірування поверхонь, іонне легування напівпровідників, іонна імплантація і модифікація матеріалів.
Основні проблеми, що потребують розв’язання при використанні інтенсивних іонних пучків, пов’язані з необхідністю нейтралізації об’ємного заряду і компенсації току пучка. Перша проблема постає за рахунок того, що значний позитивний об’ємний заряд пучка створює сильне електричне поле в просторі транспортування, що спричиняє розширення, сповільнення і навіть запирання пучка у випадку формування віртуального анода. Друга проблема постає при обробці іонними пучками діелектричних поверхонь або при використанні реактивних іонно-пучкових двигунів. Відсутність токової компенсації призводить до накопичення зарядів на ізольованих поверхнях, що стає причиною відбиття іонів, зміщення пучка, зміни енергії відбитих і вторинних іонів, міграції атомів, дефектів і пробоїв діелектриків. Як правило, ці проблеми вирішують шляхом інжекції в іонний пучок електронів, що генеруються за допомогою пристроїв на основі термоемітерів і порожнистих катодів. Проте діапазон їх застосування є обмеженим з ряду причин, до яких відносяться підвищене газове і термічне навантаження на зразки і елементи вакуумної системи, нестабільність роботи і обмеженість в виборі робочого газу.
Тому велике значення набувають дослідження і розробка надійних систем і методів компенсації, що не збурюють іонний потік, в яких частина енергії пучка трансформується на генерацію нейтралізуючих частинок. В зв’язку з цією проблемою особливу актуальність набувають дослідження процесів плазмової генерації заряджених частинок в іонних пучках малих і середніх енергій, коли ударна іонізація газа самим іонним пучком не є основним каналом утворення компенсуючих електронів.
Крім того, більшість теоретичних і експериментальних досліджень з компенсації іонних пучків були проведені в умовах захоплення і утримання компенсуючих частинок об’ємним зарядом пучка у безмежному випадку або з однорідними граничними умовами у напрямку поширення пучка. В реальних системах з неоднорідними граничними умовами, наприклад, за умов присутності в просторі транспортування поверхонь з потенціалами, що відрізняються, або при наявності поперечного магнітного поля, яке обмежує надходження електронів в іонний потік, задача компенсації є недостатньо вивченою
Таким чином, експериментальні і теоретичні дослідження транспортування і плазмової нейтралізації іонних пучків малих і середніх енергій у поперечному магнітному полі в системі з нееквіпотенціальними межами є актуальними. Вони необхідні для побудови фізичної моделі процесів, що відбуваються в просторі транспортування іонного пучка і розробки на її основі практичних рекомендацій по оптимізації іонно-пучкових систем і створенню принципово нових методів і систем нейтралізації.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є комплексні експериментальні і теоретичні дослідження процесів, що протікають в іонно-плазмових системах з нееквіпотенціальними межами при транспортуванні і нейтралізації іонних пучків малих і середніх енергій в поперечному магнітному полі, вироблення на їх основі практичних рекомендацій по підвищенню ефективності використання цих систем в технології і розробка нових методів нейтралізації іонних пучків.
Для досягнення цієї мети було потрібно вирішити такі задачі:
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота пов’язана з дослідженнями, які проводяться на кафедрі фізики плазми фізико-технічного факультету ХДУ:
Дослідження процесів нелінійної взаємодії хвиль та часток в пучково-плазмових системах та системах з схрещеними полями (номер держреєстрації 0196U002496).
Наукова новизна одержаних результатів.
Практичне значення одержаних результатів. Здобуті результати мають значення для розвитку фізики плазми, фізики газового розряду, фізики пучків заряджених частинок і іонно-пучкових технологій. Вони можуть бути використані як для проведення подальших експериментів і інтерпретації їх результатів, так і для безпосереднього використання в роботах прикладного характеру.
Особистий внесок здобувача. У праці, опубліковані за темою дисертаційної роботи, здобувач особисто зробив такі внески:
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 6th International Conference on Ion Sources (ICIS’, Whistler, B.C. Canada, 1995), 11th International Conference on High Power Particle Beams (BEAMS’, Prague, Czech. Republic., 1996), The 23rd IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS’, Boston, Massachusetts, USA, 1996),
7th International Conference on Ion Sources (ICIS’, Taormina, Italy, 1997), 12th International Conference on High Power Particle Beams (BEAMS’, Haifa, Israel, 1998)
Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 3 статтях та у працях перелічених вище конференцій.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел зі 130 найменувань. Обсяг дисертації складає 155 сторінок, у тому числі 35 ілюстрацій.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі викладено сучасний стан експериментальних і теоретичних досліджень компенсації іонних пучків, розглянуто відомі методи нейтралізації і існуючі фізичні проблеми і обгрунтовано необхідність проведення подальших досліджень.
У першому розділі дається опис експериментальної установки, методик проведення експериментів і діагностичних засобів.
У підрозділі 1.1 дається опис методик і діагностичної апаратури, що використовується в експериментах для вимірювання стаціонарних і динамічних параметрів плазми і іонного пучка.
Підрозділ 1.2 містить опис конструкції джерела іонів. Надаються топографія магнітного поля, стаціонарні розрядні характеристики і типові параметри іонно-плазмових потоків: прискорююча напруга , магнітне поле , тиск робочого газу , розрядний струм , струм іонного пучка , середня густина струму пучка , густина іонів , середня енергія іонів .
У другому розділі розглядаються особливості плазмової струмової автокомпенсації іонних пучків в магнітному полі холлівського прискорювача в процесах іонного розпилення діелектричних і провідних мішеней.
У підрозділі 2.1 досліджується можливість об’ємної плазмової генерації компенсуючих електронів в просторі транспортування пучка в поперечному магнітному полі холлівського прискорювача без використання термокатода.
Вивчаються умови збудження високовольтної і магнетронної форми додаткового несамостійного газового розряду в поперечному магнітному полі поблизу вихідної щілини холлівського прискорювача і його вплив на компенсацію пучка і потенціал обробляємої поверхні. Експериментально виявлено, що за умов низького тиску збуджується високовольтний розряд в схрещених електричному і магнітному полях з відносно невисокою ефективністю генерації заряджених частинок. При підвищенні тиску відбувається перехід до сильнострумового розряду магнетронного типу, що забезпечує практично повну компенсацію іонного пучка. У випадку, коли колектор пучка заземлюється, додатковий газовий розряд зникає. Вимірюються функції розподілу іонів пучка по енергіях і оцінюються втрати іонів з пучка для цих форм розряду.
Проводиться оптимізація повздовжнього джерела іонів холлівського типу, призначеного для попереднього очищення і активації рулонного поліетилену перед металізацією.
У підрозділі 2.2 спираючись на припущення про домінуючу роль електронів із додаткового газового розряду в компенсації іонного пучка і враховуючи присутність іонного джерела і реальну обмеженість системи надається феноменологічна модель плазмової струмової компенсації іонного пучка в поперечному магнітному полі. Здобуто залежності потенціалу іонно-пучкової плазми від енергії іонів, коефіцієнту вторинної іон-електронної емісії, тиску і роду робочого газу. Проводиться порівняння результатів розрахунків з експериментом.
У підрозділі 2.3 надаються короткі висновки, де говориться, що плазмова струмова автокомпесація іонного пучка при обробці діелектричних або гальванично ізольованих мішеней здійснюється потоком електронів в пучок із області додаткового газового розряду, що збуджується в схрещених полях: повздовжньому електричному полі пучка і поперечному магнітному полі холлівського прискорювача.
Робиться висновок, що ефективність струмової нейтралізації і потенціал обробляємої іонним пучком діелектричної поверхні залежить від напруженості магнітного поля, матеріалу катодів іонного джерела, сорту і тиску робочого газу. А саме, при використанні катодів з великим коефіцієнтом іон-електронної емісії, робочих газів з низьким потенціалом іонізації за умов збудження магнетронного розряду при оптимальному магнітному полі можливо досягти практично повної компенсації іонного пучка. Використання даного ефекту дозволяє значно зменшити позитивний поверхневий заряд діелектричної мішені без змінювання енергії бомбардуючих частинок.
У третьому розділі наведені методика і результати досліджень генерації заряджених частинок в просторі транспортування при проходженні іонним пучком області з локально-неоднорідним квазіповздовжнім магнітним полем.
У підрозділі 3.1 досліджується несамостійний газовий розряд, що збуджується і піддержується за рахунок енергії іонного пучка в області з локально-неоднорідним квазіповздовжнім магнітним полем в конфігурації арки при транспортуванні пучка до ізольованого колектора. Вивчаються режими і параметри цього розряду в залежності від енергії пучка, магнітного поля і тиску робочого газу. Показано, що потік електронів з області розряду при підвищенні тиску забезпечує струмову компенсацію іонного пучка і ефективно зменшує потенціал ізольованого колектора, що пов'язано з переходом розряду від слабострумового високовольтного до сильнострумового магнетронного.
Зареєстровано енергетичні спектри іонів пучка при ізольованому і заземленому колекторі. Показано, що у випадку збудження магнетронного розряду транспортування пучка до ізольованого колектора відбувається без значних втрат іонів. Запропоновано спосіб активної інтенсифікації несамостійного газового розряду за допомогою додаткового джерела енергії, що дозволяє здійснити повну струмову компенсацію іонного пучка і зняти позитивний заряд з ізольованої поверхні, що бомбардується іонним пучком.
У підрозділі 3.2 теоретично досліджуються параметри приповерхневого шару просторового заряду поблизу діелектричної поверхні, що бомбардується струмово-скомпенсованим іонним пучком.
У підрозділі 3.3 надаються короткі висновки, де говориться, що використання локально-неоднорідних квазіповздовжніх магнітних полів в конфігурації електромагнітного вловлювача для електронів в просторі транспортування іонного пучка дозволяє трансформувати частину енергії пучка на генерацію нейтралізуючих частинок без значних втрат іонів з пучка.
Одержані результати показують, що електромагнітна система для збудження несамостійного газового розряду в просторі транспортування є новим типом газорозрядного нейтралізатора, що здатний в активному режимі забезпечити повну струмову компенсацію іонного пучка. Робиться висновок, що в системі струмовоскомпенсований іонний пучок - діелектрична мішень подвійний шар поблизу обробляємої поверхні не утворюється, що дає змогу контролювати стан поверхні за допомогою вимірювання струму вторинно-емісійних електронів.
У четвертому розділі викладені результати досліджень електростатичної нестійкості скомпенсованого іонного пучка, що розповсюджується в поперечному магнітному полі холлівського прискорювача.
У підрозділі 4.1 вивчаються умови збудження електростатичної нестійкості, що призводить до динамічної зарядової декомпенсації і формування в області поперечного магнітного поля пульсуючого віртуального анода. Досліджено просторові і часові характеристики потенціалу віртуального анода і його вплив на компенсацію іонного пучка і розрядні характеристики джерела іонів. Пропонується механізм динамічноі декомпенсації пучка, що базується на існуванні позитивного зворотнього зв'язку між потенціалом віртуального анода і генерацією іонів в холлівському прискорювачі.
У підрозділі 4.2 на базі експериментального моделювання віртуального анода проводиться розрахунок форми коливань його потенціалу з урахуванням ефекту запізнювання в надходженні частинок, що відбиваються з області локалізації віртуального анода в розрядну зону прискорювача.
У підрозділі 4.3 робляться короткі висновки, де говориться що розвиток електростатичної нестійкості призводить до динамічної зарядової декомпенсації іонного пучка і формування віртуального анода. Запропонована модель динамічної декомпенсації дозволяє пояснити сильну модуляцію току іонного пучка, деформацію розрядних характеристик іонного джерела, зарядову декомпенсацію пучка і його розфокусування.
У висновках викладено основні результати роботи.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі отримано наступні результати:
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ
ДИСЕРТАЦІЇ
Кашаба А.Є. Плазмова компенсація іонних пучків в поперечному магнітному полі.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08. - фізика плазми.- Харківський державний університет Міністерства освіти України, Харків, 1999.
Дисертацію присвячено питанням транспортування і плазмової компенсації іонних пучків малих і середніх енергій в поперечному магнітному полі в іонно-плазмових системах з нееквіпотенціальними межами. Вперше виявлено, експериментально і теоретично досліджено ефект автокомпенсації іонного пучка за рахунок надходження електронів із плазми несамостійного газового розряду, що збуджується в просторі транспортування при наявності поперечного або локально-неоднорідного квазіповздовжнього магнітного поля в межах іонного пучка. Побудовано феноменологічну модель плазмової компенсації іонного пучка в поперечному магнітному полі, що пов'язує потенціал іонно-пучкової плазми з параметрами іонно-плазмової системи. Встановлено механізм динамічної зарядової декомпенсації іонного пучка і побудовано модель формування і релаксації віртуального анода. На основі результатів роботи запропоновано спосіб і пристрій, за допомогою яких здійснюється плазмова компенсація іонних пучків.
Ключові слова: плазмова компенсація, іонно-плазмова система, іонний пучок, газовий розряд, динамічна декомпенсація, віртуальний анод.
Kashaba A.Y. Plasma compensation of ion beams in transverse magnetic field.- Manuscript.
Thesis for a candidate degree in physical-mathematical sciences by specialty 01.04.08 - plasma physics.- Kharkov State University of Ministry of Education of Ukraine, Kharkov, 1999.
The dissertation is devoted to transportation and plasma compensation of ion beams of low and medium energies in transverse magnetic in ion-plasma systems with non-equipotential boundaries. The effect of ion beam autocompensation due to the electrons from the plasma of semi-self-maintained gas discharge which is excited in the transportation space with the presence of transverse or locally non-uniform quasi-longitudinal magnetic field within the boundaries of ion beam is found out, experimentally and theoretically investigated. The phenomenological model of plasma compensation of ion beam in transverse magnetic field that establishes relation between ion-beam plasma potential and parameters of ion-plasma system. The mechanism of dynamic charge decompensation of ion beam is established and the model of virtual anode formation and relaxation is proposed. The method and device for plasma compensation of ion beams is suggested using the results of the work.
Key words: plasma compensation, ion-plasma system, ion beam, gas discharge, dynamic charge decompensation, virtual anode.
Кашаба А.Е. Плазменная компенсация ионных пучков в поперечном магнитном поле. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08. - физика плазмы. - Харьковский государственный университет Министерства образования Украины, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена вопросам транспортировки и плазменной компенсации ионных пучков малых и средних энергий в поперечном магнитном поле в ионно-плазменных системах с неэквипотенциальными границами.
Исследованы процессы и механизмы генерации заряженных частиц в пространстве транспортировки при прохождении ионным пучком области с поперечным и локально-неоднородным квазипродольным магнитным полем в конфигурации электромагнитной ловушки для электронов, формируемым на периферии пучка. Впервые обнаружено, что в области существования магнитного поля при транспортировке ионного пучка к диэлектрической или гальванически изолированной мишени происходит возбуждение несамостоятельного газового разряда под влиянием высокого потенциала декомпенсированного ионного пучка. Экспериментально доказано, что поток электронов из плазмы этого газового разряда обеспечивает токовую компенсацию ионного пучка, величина которой существенно зависит от давления рабочего газа и напряженности магнитного поля. Это связано с переходом разряда из высоковольтного слаботочного режима в сильноточный магнетронный, при котором достигается практически полная компенсация ионного пучка.
Построена феноменологическая модель плазменной компенсации ионного пучка в поперечном магнитном поле, связывающая потенциал ионно-пучковой плазмы с параметрами ионно-плазменной системы. Теоретически и экспериментально показано , что при использовании в ионном источнике катодов с большим коэффициентом ион-электронной эмиссии, рабочих газов с низким потенциалом ионизации при оптимальном давлении возможно обеспечить практически полную токовую компенсацию ионного пучка.
Проведены исследования устойчивости скомпенсированного ионного пучка в поперечном магнитном поле холловского ускорителя. Установлен механизм динамической зарядовой декомпенсации ионного пучка, основанный на существовании положительной обратной связи между потенциалом виртуального анода и генерацией ионов в холловском ускорителе. Предложена модель формирования и релаксации виртуального анода, в которой учитывается эффект запаздывания в поступлении частиц, отраженных от области локализации виртуального анода.
На основе результатов работы предложен способ и устройство, с помощью которого осуществляется плазменная компенсация ионных пучков без использования систем на основе термоэмиссионных и полых катодов. Указанные способ и устройство могут быть положены в основу новых технологических приемов в процессах ионно-лучевого и ионно-химического травления и нанесения диэлектрических покрытий и материалов.
Ключевые слова: плазменная компенсация, ионно-плазменная система, ионный пучок, газовый разряд, динамическая декомпенсация, виртуальный анод.