Генерация электронно-пучковой плазмы вблизи поверхности проводящих и диэлектрических дисков

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 био-органических соединений. Как показано в [1], вблизи поверхности образца (не зависимо

«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, плазмохимических 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 импульснопериодическом воздействии ЭП;

• •    процессы зарядки и разрядки тел при включении и выключении ЭП соответственно.

3.    Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 4.    Результаты

При этом особый интерес представляют форма переднего заднего фронтов электрического сигнала, снимаемого с тела при разных давлениях, в условиях импульснопериодического воздействия пучка. Именно эти задачи решались в ходе настоящего исследования.

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.

Рис. 1. Генерация электроиио-пучковой плазмы, а) Схема, экспериментальной установки: 1 - электронная пушка, 2 - электронный пучок, 3 - высоковакуумпая 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) Электроннопучковая плазма, у поверхности металлического диска.

Рис. 2. Варианты мишеней (дисков), которые использовались в экспериментах

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 плазмообразующего газа, (в качестве такового в наших экспериментах использовался воздух), которое варьировалось в процессе видеозаписи. При низких давлениях (< 1 Торр) 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 плазмообразующего газа размеры облака приповерхностной плазмы увеличиваются и продольном, и в поперечном направлениях. Уже при давлении 1,5 Торр 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 плазмообразутощего 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:

е Для мишеней с диэлектрическим покрытием на обоих фронтах импульсов потенциала имеются выбросы, которых нет на осциллограммах, снятых с «голых» мишеней. Особенно велик выброс на переднем фронте.

е 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, но 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

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

Рис. 6. Осциллограмма, сигнала, регистрируемого осциллографом (потенциал диска, относительно «земли»). Мишень - диск с диэлектрическим покрытием; плазмообразующий газ - воздух при давлении 0,38 Торр; 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 импульснопериодическом 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 плазмообразутощего газа, размеры плазменного облака, увеличиваются как продольном, так и в поперечном направлениях. При низких давлениях (< 1 Торр) облако формируется на расстоянии 2-3 мм от поверхности диска, облучаемой ЭП. Уже при давлении 1,5. Торр 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.