Экспериментальное исследование электрофизических свойств приповерхностной электронно-пучковой плазмы

Генерации электронно-пучковой плазмы 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 (независимо от его агрегатного состояния), контактирующего с электронно-пучковой плазмой, одновременно протекают многочисленные физические и химические процессы, кинетика, которвіх определяется свойствами приповерхностной плазмы.

(с) Не Хлаинг Туп, Аунг Чжо У, Васильев М.Н., 2019

Свойства электронно-пучковой плазмы вблизи поверхности могут существенно отличаться от свойств плазмы в неограниченном объеме. Теоретическое описание этих процессов и компьютерное моделирование взаимодействия электронно-пучковой плазмы с поверхностью помещенного в нее образца 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.

Рис. 1 иллюстрирует общую постановку задачи экспериментального исследования. Тонкий электронный пучок (ЭП), предварительно сформированный в высоковакуумной камере электронной пушкой, инжектируется в заполненную плазмообразующим газом рабочую камеру через выводное устройство (газодинамическое окно). В результате упругих и неупругих процессов, сопровождающих распространение ЭП в газе, пучок рассеивается и деградирует. В результате формируется облако электронно-пучковой плазмы (ЭПП); в облако ЭПП помещается плоская мишень, твердая или жидкая. Направление оси инжекции пучка образует угол tp с плоскостью мишени.

Поверхность мишени, взаимодействуя с ЭПП, подвергается воздействию тяжелых частиц плазмы (заряженных и нейтральных), а также электронов деградационного спектра ЭП. Поглощение быстрых электронов веществом изолированной от «земли» мишени приводит к ее электростатической зарядке, а если мишень диэлектрическая, то потенциалы различных ее зон могут отличаться друг от друга, т.е. наблюдается эффект дифференциальной электростатической зарядки. При определенных условиях сама мишень может быть источником электронов, в частности, упруго и неупругоотраженных электронов и электронов истинно-вторичной эмиссии.

Если мощность ЭП достаточно велика, мишень может нагреваться, а на ее поверхности происходить фазовые переходы. Имея в виду, что неравновесная ЭПП является химически активной, нельзя исключить изменение электрофизических свойств материала в приповерхностном слое в результате плазмохимических реакций, стимулированных пучковоплазменным воздействием на вещество.

Задачей работы являлось накопление экспериментальных данных об особенностях генерации электронно-пучковой плазмы вблизи поверхности помещенного в нее объекта в различных условиях, определяемых:

• •    свойствами материала (электрическими и теплофизическими) и геометрией мишени;

• •    параметрами электронного пучка и химическим составом плазмообразующей среды;

• •    факторами, характеризующими специфические условия взаимодействия плазмы с объектом (например, наличие/отсутствие контакта объекта с «землей», угол падения быстрых электронов и др.).

2.    Экспериментальная установка 3.    Результаты

В ходе наших экспериментов измерялся потенциал металлической мишени U и ее температура Т ; регистрировался спектр излучения приповерхностной плазмы на фоне спектра люминесценции мишени и непрерывного спектра ее теплового излучения. Варьировались давление плазмообразующего газа Р_т (в днапазоне 10^-1 — 20 Торр) и ток пучка Іъ, (от 1,0 до 100 мА). Эксперименты проводились для различных углов р в следующих газах: воздух, кислород, инертные газы (гелий, аргон), газообразные углеводороды (метан, пропан). Потенциал проводящих мишеней измерялся непосредственно (см. рис. 1), а для исследования электростатической зарядки диэлектрических материалов, так же, как и в [2], применялся метод «конденсатора». В последнем случае экспериментальная установка переводилась в импульсно-периодический режим работы, а потенциал поверхности мишени восстанавливался путем интегрирования измеренного тока зарядки и разрядки диэлектрика в переходных процессах. Температура мишени измерялась вольфрам-рениевой термопарой ВР 5/20.

Рис. 1. Схема, экспериментов по генерации плазмы вблизи поверхности плоской мишени

Эксперименты по воздействию ЭПП на. мишени, изготовленные из материалов с различивши электрическими и теплофизическими свойствами, показали, что:

• 1.    Отрицательный потенциал на. поверхности мишени, изготовленной из диэлектрического материала, значительно (вплоть до 2-х раз) превышает потенциал изолированной металлической мишени; при давлениях Р_т ~ 0,1 Торр он может достигать 500 В.

• 2.    Потенциал диэлектрических мишеней практически не зависит от площади поверхности мишени, в то время как при прочих равных условиях потенциал металлической мишени возрастает по мере увеличения ее площади.

• 3.    Увеличение давления приводит к резкому снижению потенциала: при давлениях Р_т >  1 Торр потенциал U не превосходит нескольких вольт.

• 4.    При увеличении тока, пучка, потенциал U возрастает и для металлических, и для диэлектрических мишеней.

• 5.    При давлениях Р_т<  0,1 Торр наблюдается дифференциальная зарядка диэлектрических мишеней, сопровождающаяся электрическими пробоями по их поверхности.

• 6.    Нагрев металлических мишеней, сопровождающийся даже незначительным ее испарением, значительно увеличивает размеры зоны, в которой формируется приповерхностная плазма.

• 7.    Наибольшие размеры облака приповерхностной плазмы зарегистрированы при использовании в качестве мишени термоэмиссионных керамик, например LaB6.

• 8.    Наличие заземленных элементов внутренней оснастки рабочей камеры вблизи мишени, заряженной до высокого потенциала (при Р_т<  1 Торр), провоцирует электрический пробой между мишенью и «землей». Возникновению этого явления способствует повышение температуры мишени, которым сопровождается увеличение тока, пучка.

• 9.    Слой приповерхностной плазмы является оптически тонким и прозрачным для излучения поверхности мишени (теплового и/или люминесценции). Спектры, регистрируемые, как изображено на. рис. 1, представляют собой суперпозицию спектра, излучения поверхности мишени и спектра излучения ЭПП. На рис. 2 представлен спектр излучения плазмы, возбуждаемой вблизи поверхности керамики Al2O3, помещенной в ЭПП воздуха.

• 10.    Формирование приповерхностной плазмы при давлениях буферного газа Р_т ~ 10^-2 — 102 Торр вблизи поверхности жидкости требует специального исследования. К настоящему времени нами проведены лишь единичные эксперименты с жидкостями, обладающими низким давлением насыщенных паров (вакуумные масла, диэтиленгликоль). Показано, что при малых 1^, генерация плазмы вблизи поверхности таких жидкостей еле-

• дует перечисленным выше (см. п. 1-9) закономерностям. Однако увеличение тока пучка, сопровождающееся интенсификацией испарения жидкости, радикально изменят процесс плазмообразования.

Рис. 2. Спектр излучения ЭПП воздуха вблизи поверхности керамики А1₂0з: Р_т = 5,0 Торр, Т = 420 К. U та 4 В

На рис. 3 представлены фотографии, иллюстрирующие вид облака приповерхностной плазмы в различных условиях проводившихся нами экспериментов.

Рис. 3. Плазма, вблизи поверхности изолированной от земли мишени

а) мишень - титан, плазмообразующий газ - воздух, Р_т = 2, 0 Торр, Т та 500 К, U та 10 В;

б) мишень титан, плазмообразующий газ - воздух, Р_т = 0,1 Торр, Т та 900 К, U та 300 В;

в) мишень LaB6, плазмообразующий газ - гелий, Р_т = 0, 5 Торр, Т та 1400 К, U та 250 В

4.    Выводы

Формирование приповерхностной плазмы вблизи поверхности жидкости при давлениях буферного газа Р_т ~ 10^-2-102 Торр требует специального исследования. К настоящему времени нами проведены лишь единичные эксперименты с жидкостями, обладающими низким давлением насыщенных паров (вакуумные масла, диэтиленгликоль). Показано, что при малых 1ь, генерация плазмы вблизи поверхности таких жидкостей следует перечисленным выше (см. п. 1-9) закономерностям. Однако увеличение тока, пучка, сопровождающееся интенсификацией испарения жидкости, радикально изменят процесс плазмообразования.