Модернизация и исследование источника ионов металлов на основе вакуумного дугового разряда

Исследования в области разработки источников ионов металлов на основе вакуумного дугового разряда с холодным катодом являются востребованными благодаря широкому применению этих устройств как в технологических процессах модификации поверхностных свойств материалов, так и для инжекции частиц в ускорители тяжелых ионов. Перспективные направления дальнейшего совершенствования источников ионов на основе вакуумной дуги связаны, прежде всего, с необходимостью увеличения времени их бесперебойного функционирования, повышения эффективности извлечения ионов из плазмы, а также получения пучков ионов металлов с более высокой зарядностью. Решение перечисленных проблем будет способствовать существенному совершенствованию источников ионов металлов на основе вакуумной дуги, отвечающих современным требованиям их использования. С другой стороны, результаты исследований ионных источников такого типа могут внести вклад в понимание фундаментальных процессов функционирования самого вакуумного дугового разряда.

Ресурс непрерывной работы ионного источника на основе вакуумной дуги в основном определяется возможностью стабильного зажигания разряда. Именно поэтому система инициирования вакуумного дугового разряда должна обеспечить стабильное зажигание разряда при предельно низком давлении остаточных газов и быть независимой от внешних параметров и условий горения разряда, в том числе и магнитного поля. Она должна быть конструктивно простой, иметь малые габариты и обладать высокой энергетической эффективностью. Таким требованиям во многом отвечает система инициирования вспомогательным разрядом по поверхности диэлектрика. Оптимизация электрических параметров инициирующего разряда такой системы инициирования обеспечит существенное увеличение ресурса ионного источника, особенно в частотно-импульсном режиме функционирования вакуумной дуги, что является привлекательным для дальнейшего развития технологии высокодозной ионной имплантации.

Существенным параметром, характеризующим эффективность источника ионов металлов, является процентное отношение ионного тока, извлеченного из плазмы вакуумной дуги, к току разряда. Для того чтобы правильно оценить значение данной величины, необходимо произвести измерение полного ионного потока из катодной области вакуумного дугового разряда. Актуальным является вопрос разработки методики этого измерения, учитывающей физические особенности распространения плазмы в разрядном промежутке. Кроме определения эффективности вакуумного дугового источника, измерение доли извлекаемых ионов в полном токе разряда открывает возможность достаточно точной оценки коэффициентов удельной ионной эрозии материала катода в вакуумной дуге, что имеет, очевидно, значение для изучения физической природы катодного пятна.

Одним из приоритетных направлений дальнейшего совершенствования вакуумно-дуговых источников ионов является повышение средней зарядности ионов в пучке. Привлекательность генерации многозарядных ионов связана с возможностью увеличения энергии ионов без соответствующего повышения ускоряющего напряжения. Особенность вакуумного дугового разряда состоит в том, что все основные процессы, определяющие установившиеся параметры плазмы и ее эмиссионные свойства, происходят в достаточно небольшой части разрядного промежутка, прилегающей к катодной области. Это делает возможным для увеличения средней зарядности ионов создание в устройстве такого типа области активной ионизации с высоким параметром удержания плазмы и осциллирующими электронами в сильном магнитном поле. Наряду с ранее исследованными методами повышения зарядности ионов в плазме вакуумного дугового разряда (сильное магнитное поле, «скачок» тока, внешняя инжекция электронов) представляется перспективным повышение эффективности процесса ионизации в результате нагрева плазменных электронов мощным коротковолновым электромагнитным излучением в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР).

В соответствии с вышеизложенным, тематика диссертационной работы, направленной на дальнейшее совершенствование источников ионов металлов, отвечающих современным требованиям для их применения в технологических процессах модификации поверхностных свойств материалов, а также в фундаментальных исследованиях, представляется актуальной.

Основными задачами данной работы являются:

1. Повышение ресурса системы инициирования ионного источника на основе вакуумного дугового разряда путем оптимизации электрических параметров инициирующего разряда по поверхности диэлектрика.

2. Исследование максимальных эмиссионных параметров ионного источника и определение на основе результатов этих исследований коэффициента ионной эрозии для различных материалов катода вакуумного дугового разряда с целью оптимизации конструкции катодного узла ионного источника в зависимости от условий его применения.

3. Исследование условий генерации многозарядных ионов металлов в результате инжекции плазмы из разрядной ячейки вакуумно-дугового источника ионов в открытую магнитную ловушку и последующем нагреве плазменных электронов мощным электромагнитным излучением в условиях ЭЦР.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Показана возможность увеличения ресурса системы зажигания вакуумного дугового разряда для ионного источника в результате оптимизации электрических параметров вспомогательного инициирующего разряда по поверхности диэлектрика (тока и напряжения при заданной длительности).

2. Исследованы максимальные значения эффективности извлечения ионов из плазмы вакуумного дугового разряда для различных материалов катода. На основе этих исследований определены коэффициенты ионной эрозии в катодном пятне вакуумной дуги в отсутствие влияния капельной фракции.

3. Показано, что инжекция плазмы из разрядной системы ионного источника на основе вакуумного дугового разряда в область электронного циклотронного резонанса приводит к увеличению среднего зарядового состояния ионов в 2 — 3,5 раза.

Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что:

1. Научные положения и выводы, сделанные на основании проведенных исследований, вносят существенный вклад в понимание особенности генерации ионных пучков в источниках ионов на основе вакуумной дуги, а также физических процессов в вакуумном дуговом разряде.

2. Результаты работы, направленные на увеличение ресурса системы инициирования вакуумного дугового разряда, а также на повышение эффективности извлечения ионов из плазмы вакуумной дуги, были использованы для модернизации ионного источника Меууа-У. Они представляют интерес для применения в иных версиях вакуумно-дуговых ионных источников, а также в плазменных источниках электронов, ионно-плазменных напылительных системах и других устройствах, использующих данный тип разряда.

3. На основе исследований по увеличению зарядового состояния ионов методом инжекции плазмы вакуумного дугового разряда в область ЭЦР, проведенных совместно с Институтом прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), создана уникальная экспериментальная установка для генерации пучков многозарядных ионов металлов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу современного состояния вопросов инициирования вакуумного дугового разряда, изучению.

3.4. Выводы по главе III.

На основании результатов исследований, представленных в данном разделе, можно сформулировать следующие выводы.

1. Для инжекции плазмы тугоплавких металлов в открытую зеркальную магнитную ловушку с последующим нагревом плазменных электронов в условиях ЭЦР создан миниатюрный вакуумно-дуговой плазменный генератор оригинальной конструкции, обеспечивающий.

1 «5 концентрацию плазмы в области СВЧ-нагрева вплоть до 10 см .

2. Определены оптимальные значения тока разряда генератора плазмы, индукции магнитного поля, а также мощности СВЧ излучения, вводимого в ловушку, для реализации условий повышения зарядности ионов при инжекции плазмы вакуумной дуги в систему ЭЦР.

3. Достигнутое в эксперименте значение параметра удержания плазмы.

Я 1 в ловушке 3−10 см с обеспечило увеличение среднего зарядового состояния ионов в 2−3,5 раза при поддержании плотности тока ионного пучка на уровне десятков миллиампер на квадратный миллиметр.