Ионная эмиссия из тлеющих разрядов с осциллирующими электронами

Глава 7

Ионная эмиссия из тлеющих разрядов

с осциллирующими электронами

Введение

Технологические ионные источники на основе газоразрядных систем с холодными катодами обладают существенно более высоким ресурсом и надежностью по сравнению с термокатодными в характерных для промышленных установок условиях технического вакуума, частой разгерметизации рабочих камер для замены обрабатываемых деталей и особенно при использования химически активных газов, таких как азот и кислород, которые часто применяются во многих процессах ионно-лучевой технологии [137]. Кроме того, при работе в импульсном или импульсно - периодическом режиме использование систем с холодными катодами является энергетически более эффективным вследствие отсутствия необходимости в поддержании постоянного тока накала.

В то же время при работе в непрерывном режиме энергетическая эффективность ионных источников на основе тлеющих разрядов существенно ниже по сравнению с источниками на основе дуговых разрядов. Это связано с тем, что коэффициент потенциальной ион - электронной эмиссии из катода мал и, соответственно, велико напряжение горения разряда. Однако в отличие от дуговых разрядов, где доля ионного тока невелика, в тлеющем разряде катодный ток практически полностью обеспечивается ионами. Это создает возможность для повышения энергетической эффетивности за счет увеличения площади катодных эмиссионных отверстий и соответствующего увеличения эффективности извлечения. Однако такое увеличение ионной эмиссии может оказать негативное влияние на разряд, так как частицы, отбираемые в пучок, естественно не попадают на катод и не участвуют в g - процессах на его поверхности, что может затруднить поддержание разряда. В связи с этим актуальной представляется задача определения некоторого оптимального уровня ионной эмиссии, при котором с одной стороны обеспечивается достаточно высокое значение эмиссионного тока, но при этом не возникает существенных трудностей с поддержанием разряда.

Другая особенность ионной эмиссии из тлеющих разрядов, также как и в случае электронной эмиссии через отверстия в катоде, заключается в наличии протяженной области катодного падения, что может существенно повлиять на извлечение частиц. Исследование этого влияния позволит установить при каких условиях реализуется оптимальный режим токоотбора и также является актуальным.

В плазме рассматриваемых разрядов движение ионов чаще всего, как и положительном столбе разрядов низкого давления, происходит в режиме свободного полета на стенки [82]. Вместе с тем горение разряда возможно и при таких давлениях, когда длина пробега иона сравнима или даже меньше, чем размеры камеры. В этом случае необходимо уточнение соотношений, полученных в [82] c учетом возможных столкновений.

В параграфе 7.1. анализируется влияние ионной эмисии на характеристики разряда с полым катодом и обсуждается проблема определения оптимального уровня ионной эмиссии при котором достигается максимальная энергетическая эффективность, а также обеспечиваются минимальные затраты на функционирование источника. В параграфе 7.2 изучается влияние потенциала эмиттерного электрода на отбор ионов. Рассматриваются случаи, когда эмиттерный электрод является частью катода тлеющего разряда и находится под плавающим потенциалом или потенциалом катода дугового разряда. В параграфе 7.3 приведены результаты экспериментальных исследований ионной эмиссии. В параграфе 7.4. излагаются результаты расчетов плотности тока ионной эмиссии из плазмы при наличии резонансной перезарядки.

7.1. Влияние ионной эмиссии  на характеристики

разряда с полым катодом

Проанализируем влияние ионной эмиссии на основе модели разряда, разработанной в главе 2. В этой главе при использовании допущения о том, что частота ионизации является постоянной величиной было получено уравнение баланса для быстрых электронов в следующем виде

.                                                     (7.1.1)

Считалось, что все ионы, образуемые быстрыми электронами в полости, поступают на катод. В режиме ионной эмиссии некоторая часть ионов, которую обозначим через a, эмитируется в ускоряющий промежуток и не участвует в катодных процессах. Тогда, (1-a) - это доля ионов, поступающих на катод, и для ионного тока на катоде можно записать следующее выражение

.                                                          (7.1.2)

Подставляя выражение для катодного тока  в уравнение баланса можно после некоторых преобразований получить условие самостоятельности разряда в режиме ионной эмиссии в следующем виде

.                                                 (7.1.3)