Расчет магнитной системы УАС

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рабочее тело – аргон.

Время распыления: .

Плотность ионного тока: .

Массовый расход ускорителя: .

Мощность ускорителя: .

Напряжение СЭС: .

1.  РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УАС

Для расчета основных параметров УАС, предназначенного для очистки внутренней поверхности технологической камеры от адсорбированных

dвн	119,99
hвн	139,99
Sт вн	11307,85
Sбок вн	52770,59
dвн	119,99
hвн	139,99
Sт вн	11307,85
Sбок вн	52770,59
Сумма	64078,44

Приняв коэффициент распыления , найдем скорость распыления [5]:

                        ()

2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСКОРИТЕЛЯ

Плазменный электромагнитный ускоритель с электрическим ускорением ионов в анодном слое (УАС) представляет собой источник ускоренного потока плазмы. Она образуется и ускоряется в разряде рабочего тела – «горящем» в скрещенных электрическом и магнитных полях. Ускоритель состоит из анода-газораспределителя, катода, разрядной камеры, ограничивающей ускорительный канал, магнитной системы, содержащей катушку намагничивания и магнитопровод.

Магнитная система спроектирована таким образом, что в кольцевом ускорительном канале реализуется преимущественно радиальное магнитное поле. Разрядное напряжение приложено между анодом и катодом, а электрическое поле в канале направлено примерно параллельно оси ускорителя. Рабочее тело подается в ускорительный канал, как правило, через анод-газораспределитель, хотя возможно использование и отдельного газораспределителя.

Работает ускоритель следующим образом. Рабочее тело, поступающее в канал вблизи анода, ионизируется электронами, перемещающимися под действием электрического поля от катода к аноду в поперечном магнитном поле. Уравнение движения электронов в скрещенных электрическом и магнитных полях (ЕН) в безинерционном приближении имеет вид:

,                              (1.1)

где - скорость электронов;

- давление электронов;

- время потери импульса электроном при столкновениях с ионами и атомами.

В одномерном случае (Е=Е_х, Н=Н_z, ):

;                                      (1.2)

;                                                           (1.3)

где - параметр замагниченности (параметр Холла).

В случае, когда геометрические размеры разрядной области, давление и напряженность магнитного поля таковы, что электроны замагничены, а ионы не замагничены (, где  - характерный размер разрядной области,  - ларморовские радиусы электронов и ионов, соответственно), то параметр Холла для электронов  и

.                                  (1.4)

Поэтому электронный ток в направлении электрического поля:

                                          (1.5)

много меньше тока в перпендикулярном к Е направлении, который получил название дрейфового или холловского тока:

.                                         (1.6)

Ограниченная подвижность электронов в поперечном направлении приводит к существованию со стороны анода протяженной области (по сравнению с радиусом дебаевской экранировки) с сильным электрическим полем, в которой происходит образование и ускорение ионов.

Движение ионов в этом случае можно считать бездиссипативным. Оно описывается уравнением:

;                                       (1.7)

.                                     (1.8)

где  - скорость иона;

 - потенциал пространства в точке рождения иона.

Для устойчивого существования анодного слоя (АС) необходимо беспрепятственное движение электронов в дрейфовом направлении, что реализуется в различных схемах с замкнутым электронным дрейфом (холловским током). В АС электроны оказываются захваченными как бы внутри ускоряющего слоя (0≤х≤d, где d – толщина АС), в котором происходит основное падение приложенной разности потенциалов. Скорость ухода электронов из слоя оказывается столь незначительной, что соответствующая убыль отрицательного пространственного заряда компенсируется автоматически благодаря ионизации остаточного газа или повторной ионизации ионов.

Толщина ускоряющего слоя определяется балансом между скоростью рождения электронов и скоростью их ухода из объема. Таким образом, с одной стороны:

;                                                       (1.9)

где  - эффективная частота ионизирующих столкновений электронов с атомами и приближенно:

;                                                  (1.10)

с другой стороны:

;                                      (1.11)

где  - поперечная подвижность электронов в магнитном поле.

Следовательно –

.                                                          (1.12)

В случае, когда электроны в объеме образуются только в результате ионизации и все уходят на анод, а подвижность электронов определяется парными столкновениями, толщина самоподдерживающего ЕН – слоя порядка электронного ларморовского радиуса:

;                                                 (1.13)

где  - ларморовский радиус для электрона, обладающего энергией , и  - приложенная к разряду разность потенциалов;

 - частота упругих электрон-атомных столкновений.

Этот случай наиболее близок к реализации в ускорителе с металлическими стенками, ограничивающими разряд вдоль магнитного поля и находящимися под катодным потенциалом. Соответствующую модификацию ускорителя поэтому называют холловским предельным ускорителем, или ускорителем с анодным слоем УАС.

Дрейфующие в азимутальном направлении электроны компенсируют объемный заряд ионов в канале ускорителя.

В качестве катода в УАС используется газоразрядный источник электронов типа полого катода, содержащий термоэмиттер электронов, обтекаемый потоком рабочего вещества и подогреваемый нагревателем. Зажигание заряда в нем осуществляется с помощью поджигающего электрода. На рабочем режиме электроны, уходящие с катода, ускоряются на прикатодном скачке потенциала у поверхности эмиттера и ионизуют атомы рабочего вещества, находящиеся вблизи этой поверхности. Одна часть электронов попадает в ускорительный канал, а другая уходит с истекающим из ускорителя потоком ионов.

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УАС

2.2 Расчет магнитной системы УАС

Для обеспечения необходимого значения напряженности магнитного поля применяем соленоид, через который течет постоянный электрический ток. Высокий коэффициент полезного действия УАС можно получить в том случае, когда максимум радиальной компоненты магнитного поля реализуется вблизи среза ускорителя.

В качестве материала магнитопровода выбираем углеродистую сталь с коэффициентом магнитной проницаемости . Эта сталь является хорошим проводником и имеет высокий коэффициент магнитной проницаемости.

Определим скорость дрейфа электронов. Для этого запишем уравнение сохранения энергии для электронов:

;                                              (1.1)

- масса электрона;

- скорость электронов;

- заряд электрона;

- потенциал ионизации аргона.

Из формулы (1.1) выражаем скорость электронов:

.                          (1.2)

Определяем напряженность электрического поля, образованного электронами:

                                                                 (1.3)