CC BY
34
УДК 533.9/072
Аут Чжо У, Ие Хлттг Тун, М. Н. Васильев
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Генерация электронно-пучковой плазмы вблизи поверхности проводящих и диэлектрических дисков
Экспериментально исследовались пучково-плазменные образования, генерируемые вблизи поверхности металлических дисков и металлических дисков с диэлектрическим покрытием при их облучении непрерывным или импульсно-периодическим электронным пучком. В качестве плазмообразующего газа использовался воздух, давление которого варьировалось в диапазоне 10-1 — 2 • 101 Торр. По результатам обработки оптических изображений пучково-плазменных образований выявлено влияние давления газа на геометрию плазменных облаков и их расположение относительно поверхности диска. По результатам исследования переходных режимов зарядки/разрядки дисков обнаружено, что форма переднего и заднего фронтов электрического сигнала (потенциала диска относительно «земли»), снимаемого с диска с диэлектрическим покрытием, существенно отличается от формы фронтов «голых» металлических дисков.
Ключевые слова: электронно-пучковая плазма, взаимодействие плазмы с поверхностью вещества, электростатическая зарядка тел в плазме.
Aung Kyaw Оо, Ye Hlaing Ht,un, Vasiliev M. N.
Moscow Institute of Physics and Technology
Generation of electron beam plasma near the surface of conductive and dielectric disks
Beam-plasma formations that occur near the surface of metal disks and metal disks with dielectric coating when irradiated with a continuous or intermittent electron beam were experimentally investigated. As a plasma-forming gas, air was used, the pressure of which varied within the range of 10-1 — 2 • 101 Torr. As a result of processing of optical images of Beam-plasma formations, the influence of gas pressure on the geometry of plasma clouds and their location relative to the disk surface was found. The study of the transient charging/discharging of disks showed that the front and rear edges of the electrical signal (disk potential relative to «earth») from the disc with a dielectric coating differed significantly from the shape of the fronts from uncoated metal disks.
Key words: electron beam plasma, interaction of plasma with the surface of matter, electrostatic charge of bodies in plasma.
1. Введение
Генерация электронно-пучковой плазмы (ЭПП) вблизи поверхности металлических дисков и металлических дисков с диэлектрическим покрытием при их облучении непрерывным или импульсно-периодическим электронным пучком (ЭП), вблизи поверхности компактного твердого тела, слоя жидкости, частицы диспергированного порошка или жидкой капли являются типичными для анализа процессов пучково-плазменной модификации материалов, плазмохимического синтеза и управляемой деструкции сложных органических и биоорганических соединений. Как показано в [1], вблизи поверхности образца (не зависимо
@ Аунг Чжо У., Ие Хлаинг Тун, Васильев М. Н., 2020
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2020
от его агрегатного состояния), контактирующего с электронно-пучковой плазмой, одновременно протекают многочисленные физические и химические процессы, кинетика которых определяется свойствами приповерхностной плазмы. Свойства ЭПП вблизи поверхности диэлектрических тел или проводящих тел с диэлектрическим покрытием могут существенно отличаться от свойств плазмы у поверхности металлических тел. Теоретическое описание этих процессов и компьютерное моделирование ЭПП требуют самосогласованного решения многочисленных электрофизических, молекулярно-кинетических, плазмохимиче-ских тепловых и газодинамических задач, каждая из которых, даже решаемая отдельно, является весьма сложной. Поэтому при исследовании упомянутых выше процессов наиболее информативными оказываются экспериментальные методы.
2. Цели и задачи исследования
Целью исследования являлось накопление экспериментальных данных об особенностях генерации ЭПП вблизи поверхности металлических дисков и металлических дисков с диэлектрическим покрытием в различных условиях. При этом в зависимости от условий генерации плазмы необходимо изучить;
• форму и размеры плазменного облака вблизи поверхности дисков;
• расположение плазменного облака относительно поверхности диска;
• величину потенциала, накапливаемого телом, при непрерывном и импульсно-периодическом воздействии ЭП;
• процессы зарядки и разрядки тел при включении и выключении ЭП соответственно.
При этом особый интерес представляют форма переднего заднего фронтов электрического сигнала, снимаемого с тела при разных давлениях, в условиях импульсно-периодического воздействия пучка. Именно эти задачи решались в ходе настоящего исследования.
3. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов
В наших экспериментах исследуемые диски помещались в плазменное облако, которое генерировалось инжекцией ЭП в газообразную плазмообразующую среду (см. рис. 1). ЭП выходил из высоковакуумной камеры в рабочую камеру через газодинамическое выводное окно. В ходе экспериментов велась фото/видеосъемка светящейся области вблизи поверхности диска (см. рис. 4 и 5), а также измерялся потенциал диска относительно «земли». Фотографии обрабатывались с помощью компьютерной программы, которая позволяла рисовать линии интенсивности излучения плазмы вдоль любого направления наблюдения. Нас интересовала интенсивность излучения плазмы в направлении оси инжекции ЭП и в направлении, перпендикулярном этой оси. Различные варианты дисков, которые помещались в облако ЭПП, показаны на рис. 2. Это «голый» металлический диск, на плоскую поверхность которого нанесен слой диэлектрика (эпоксидной смолы) толщиной 1 мм, «голый» металлический диск, цилиндрическая и тыльная поверхности которого закрыты диэлектрической капсулой (фторопласт). Для исследования процессов зарядки/разрядки мишени при импульсно-периодическом воздействии ЭП использовался компьютерный осциллограф.
(а) (б) (в)
Рис. 1. Генерация электронно-пучковой плазмы, а) Схема экспериментальной установки: 1 электронная пушка. 2 электронный пучок. 3 высоковакуумная камера. 4 выводное окно. 5 система отклонения электронного пучка. 6 рабочая камера. 7 облако электронно-пучковой плазмы. 8 мишень (диск): (б) Электронно-пучковая плазма в свободном пространстве: (в) Электронно-пучковая плазма у поверхности металлического диска
Рис. 2. Варианты мишеней (дисков), которые использовались в экспериментах 4. Результаты
При обработке полученных в экспериментах видеозаписей было установлено, что во всех исследованных режимах генерации ЭПП вблизи поверхности мишеней всех перечисленных выше конструкций наблюдалось формирование достаточно ярко светящегося облака приповерхностной плазмы. Форма и размеры этого облака явно зависели от давления плаз-мообразующего газа (в качестве такового в наших экспериментах использовался воздух), которое варьировалось в процессе видеозаписи. При низких давлениях (< 1 Topp) облако формируется на расстоянии 2 3 мм от поверхности диска, облучаемой ЭП (см. рис. За). Его размеры в направлении оси инжекции ЭП невелики (порядка 5 мм), а поперечные размеры приблизительно равны диаметру диска (20 мм). При повышении давления плазмообразу-ющего газа размеры облака приповерхностной плазмы увеличиваются и продольном, и в поперечном направлениях. Уже при давлении 1,5 Topp облако приобретает форму, как на рис. Зв, и отодвигается от поверхности диска на расстояние 5 6 мм. Максимальная величина заряда, которая характеризуется потенциалом мишени, также зависят от давления плазмообразующего газа. Такие исследования для проводящих и диэлектрических тел проводились неоднократно [2|. В настоящем исследовании нас интересовали переходные режимы зарядки/разрядки дисков при импульсно-периодическом воздействии ЭП, т.е. передний
и задний фронты осциллограмм сигналов, снимаемых с мишеней различных конструкций. Установлено, что для «голых» металлических мишеней и мишеней с диэлектрическим покрытием эти осциллограммы существенно различаются. Эти различия проявляются в следующем:
• Для мишеней с диэлектрическим покрытием па обоих фронтах импульсов потенциала имеются выбросы, которых нет па осциллограммах, снятых с «голых» мишеней. Особенно велик выброс па переднем фронте.
• Характерное время выхода потенциала мишени на стационарное значение для дисков с диэлектрическим покрытием приблизительно вдвое корче, чем для «голого» диска. Однако время разрядки мишени (т.е. крутизна заднего фронта осциллограммы) для дисков с диэлектрическим покрытием существенно больше, чем время разрядки «голого» диска. Т.е. диск с диэлектрическим покрытием быстрее заряжается, по медленнее разряжается.
Рис. 3. Форма и размеры плазменного облака, расположение плазменного облака относительно поверхности диска при давлении 1 торр (а, б) и давлении 1.5 торр (в, г) (а,в) исходная фотография; (б, г) компьютерная обработка изображения: интенсивность излучения плазменного облака регистрировалась в направлении вдоль оси инжекции ЭП
Рис. 4. Форма и размеры плазменного облака, расположение плазменного облака относительно поверхности диска при давлении 1 торр. (а, б) и давлении 1.5 торр (в, г) (а, в) исходная фотография; (б, г) компьютерная обработка изображения: интенсивность излучения плазменного облака регистрировалась в направлении, перпендикулярном оси инжекции ЭП на расстоянии 5 мм от поверхности диска
15У 100(115
..
УппкЮЛбУ
Рис. 5. Осциллограмма сигнала, регистрируемого осциллографом (потенциал диска относительно «земли»). Мишень - «голый» диск; плазмообразующий газ - воздух при давлении 0,38 Торр; цена деления на осциллограмме: ось ж - 100 мс/деление ось, у - 15 В/деление
Ü1W 100ms
vmwmm *i\AJ \hN\h \N\l\h
f*
и if
At ж* fyj'hvtMy^
Vims: ...V
Рис. 6. Осциллограмма сигнала, регистрируемого осциллографом (потенциал диска относительно «земли»). Мишень диск с диэлектрическим покрытием: плазмообразуюгций газ воздух при давлении 0,38 Topp; цена деления на осциллограмме: ось ж - 100 мс/деление, ось у - 0,15 В/деление
5. Заключение
1. Накоплены экспериментальные данные об особенностях генерации ЭПП вблизи поверхности металлических дисков и металлических дисков с диэлектрическим покрытием в различных условиях. При этом изучено влияние условий генерации плазмы на
• форму и размеры плазменного облака вблизи поверхности дисков;
• расположение плазменного облака относительно поверхности диска;
• величину потенциала, накапливаемого телом, при непрерывном и импульсно-периодическом воздействии ЭП;
• процессы зарядки и разрядки тел при включении и выключении ЭП соответственно.
2. Компьютерная обработка изображений облака приповерхностной плазмы показала, что при повышении давления плазмообразующего газа размеры плазменного облака увеличиваются как продольном, так и в поперечном направлениях. При низких давлениях (< 1 Topp) облако формируется на расстоянии 2 3 мм от поверхности диска, облучаемой ЭП. Уже при давлении 1,5. Topp облако отодвигается от поверхности диска на расстояние 5 6 мм.
3. Осциллограммы сигналов, снимаемых с мишеней при импульсно-периодическом воздействии ЭП на «голые» металлических мишеней и мишени с диэлектрическим покрытием, существенно различаются. В частности установлено, что диск с диэлектрическим покрытием быстрее заряжается, но медленнее разряжается.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки, проект № 10А.100, а также грантов РФФИ 20-02-00501_а и 19-38-90009.
Литература
1. Vasilie.v M.N., Vasilieva T.M. Materials production with Beam Plasmas /7 Encyclopedia of Plasma Technology (ed. J.L. Shohet, Taylor, Francis), 2017. P. 152 166.
2. Юшков Ю.Г. Форвакуумный импульсный плазменный источник электронов для модификации поверхности диэлектрических материалов: дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Томск, 2012. 104 с.
References
1. Vasiliev M.N., Vasilieva T.M. Materials production with Beam Plasmas. Encyclopedia of Plasma Technology (ed. J.L. Shohet, Taylor, Francis), 2017. P. 152-166.
2. Yushkov Yu.G. For vacuum pulsed plasma electron source for surface modification of dielectric materials. Diss, for the degree of Cand. Techn. of Sciences. Tomsk. 2012. V. 71. 104 p.
Поступим в редакцию 13.12.2019
