Разработка источника ленточных пучков ионов газов для модификации рулонных материалов

Введение. Полимерные волокнистые композиционные материалы должны обеспечивать высокую прочность, стойкость к динамическим и статическим нагрузкам, вибро- и трещиностой-кость, долговечность и т. д. На современном этапе развития технологий получения таких материалов основным фактором, ограничивающим область их применения, является невысокий уровень адгезионного взаимодействия наполнителя и связующих компонентов [1]. Для повышения взаимодействия между наполнителем и связующим применяют химические и физические методы предварительной обработки армирующего наполнителя. Одним из методов структурной модификации поверхности и увеличения межфазного взаимодействия материалов является ионнолучевая обработка пучками ионов с энергией 10-40 кэВ, которая приводит к распылению граничных слоев материала, изменению химического состава, структурно-фазовым изменениям приповерхностного слоя, а также активизирует поверхностные связи [2-9]:

• 1)    обработка полимеров импульсным пучком газовых ионов (1-20 мА/см², 0,03-1 мс) с флюенсом выше 3•10¹⁴ ион/см² приводит к разрыву части химических связей, появлению свободных радикалов, деполимеризации с выделением мономеров и их фрагментов, а также образованию

сшивок, повышению твердости поверхности за счет карбонизации [7–9]. Повышение плотности тока приводит к росту концентрации дефектов структуры макромолекул, появлению активных молекулярных обрывков и атомов в нейтральном и ионизированном состоянии, повышает локальный разогрев вблизи латентного трека, который влияет на состав и структуру поверхностного слоя полимера, а также усиливает рост карбонизированной фазы [8, 9]. Разрушение химических связей в полимерах носит селективный характер и направлено на деструкцию более слабых связей и трансформацию функциональных химических групп;

• 2)    обработка пучком ионов азота (1–3 мА/см², 30 кэВ, флюенс ~10¹⁷ ион/см²) графита и карбоволокна приводит к увеличению угла смачивания жидкой медью с 120 до 133°, глубина проникновения азота достигает 80 нм. При флюенсе ~10¹⁸ ион/см² происходит аморфизация приповерхностного слоя [3, 4, 10, 11];

• 3)    при нанесении металлических покрытий на полимеры перемешивание атомов в переходном слое пучком ионов с удельной мощностью 0,4–0,16 Вт/см² обеспечивает при кратковременном воздействии (~0,25–2 мин) прочность соединения на разрыв 6,5 ГПа даже для таких химически инертных пар материалов, как полиэтилен и медь [5]. Глубина перемешивания достигает 30 нм.

Таким образом, ионное облучение способно оказать определяющее влияние на физико-химические свойства материалов и прочность их адгезионного соединения.

Большие поверхности материалов целесообразно обрабатывать ленточными ионными пучками с близким к однородному распределением плотности тока вдоль длинной оси его поперечного сечения. Скорость перемещения материала в зоне облучения определяется требуемым флюенсом ионного облучения, плотностью тока пучка и допустимой температурой обрабатываемого материала. Трудности создания мощного ионного источника такого класса обусловлены как сложностью генерации однородной плазмы в электродной системе значительной протяженности, так и процессами взаимодействия ускоренных ионов с газом в системе формирования ионного пучка, приводящими к потере мощности пучка и нагреву электродов источника до высоких температур.

В работе приводятся результаты испытаний источника ленточного пучка газовых ионов с поперечным сечением 650×80 мм2, работающего в импульсно-периодическом режиме генерации пучка и предназначенного для обработки больших поверхностей материала в рулонах или листах.

Эксперимент. Опыт разработки технологических ионных источников показал, что низковольтный разряд, поддерживаемый эмиссией плазменного катода с сеточной стабилизацией (СПК), способен генерировать плотную плазму с незначительным содержанием продуктов эрозии электродов при пониженном давлении газа (до 0,01 Па) [12, 13]. При использовании полого катода и анода малого размера осцилляция эмитированных СПК и ускоренных в двойном слое быстрых электронов обеспечивает пространственную однородность генерируемой плазмы независимо от направления инжекции электронов относительно направления извлечения ионов из плазмы даже при малых размерах плазменного катода (доли см²) [12].

Если электроны вводятся в разряд по нормали к направлению извлечения ионов, то отсутствие жесткой связи размеров и формы электронного и ионного плазменных эмиттеров позволяет создавать источники ленточных ионных пучков значительной протяженности (~1 м). Для этого требуется удовлетворить нескольким условиям [14–17]: 1) длина пути быстрых электронов в плазме должна намного превосходить длину плазменного эмиттера ионов; 2) в электродной системе должен быть минимизирован продольный градиент давления газа; 3) следует исключить возникновение пучково-плазменного разряда. Для выполнения последнего условия снижают плотность тока электронного пучка в плазме увеличением площади сетки плазменного катода. Снижение плотности эмитирующей электроны плазмы в СПК приводит к увеличению толщины ионного слоя пространственного заряда между плазмой и поверхностью сетки, что обеспечивает выполнение условия сеточной стабилизации [18] при увеличенном размере отверстий сетки. В результате применения в СПК перфорированных электродов толщиной 2–4 мм с отверстиями диаметром 3–5 мм взамен мелкоструктурной плетеной сетки с ячейкой менее 1 мм ресурс катодного узла увеличивается до нескольких тысяч часов [15].

При испытаниях прототипа ленточного ионного источника в непрерывном режиме генерации пучка [16] было показано, что при достаточно большой длине ускоряющего зазора (до 12 см), которая в соответствии с соотношением Чайлда – Ленгмюра определяется сочетанием плотности тока ионного пучка (0,1–0,3 мА/см2) и величиной ускоряющего напряжения (до 40 кВ), в ускоряющем промежутке в результате процессов перезарядки и ионизации атомов газа ускоренными ионами, сечения которых в используемом диапазоне энергий ионов (25–40 кэВ) имеют порядок ~ 10–15 см2 [17, 19], появляются вторичные заряженные частицы, которые ускоряются в электрическом поле и бомбардируют электроды ионного источника. Следствием этих процессов являются нагрев и значительное линейное расширение протяженных электродов, их коробление и нарушение юстировки отверстий ионной оптики, а также снижение энергетической эффективности источника ионов в целом. Перевод ионного источника из непрерывного режима работы в импульсно-периодический режим (длительность импульса 0,25 и 0,5 мс; 5–1000 Гц) сопровождается увеличением импульсного значения тока пучка при сохранении среднего тока, что позволяет уменьшить длину ускоряющего зазора и снизить тем самым интенсивность процессов взаимодействия ускоренных ионов с атомами газа. При ускоряющем напряжении 40 кВ увеличение плотности тока ионов в импульсе до j~ 1 мА/см2 приводит к сокращению требуемой длины зазора до d = 4 см, что должно привести к примерно трехкратному уменьшению тока вторичных частиц на электроды источника [20].

а)

Рис. 1. Ионный источник: а – схема: 1 – полый катод, 2 – сетка плазменного катода (СПК), 3 – плазменная камера, 4 – стержневой анод, 5, 6 – экранный, ускоряющий электроды ионно-оптической системы, 7 – водоохлаждаемый коллектор; б – конструкция: 1 – корпус, 2 – посадочный фланец, 3 – полый катод, 5 – плазменная камера, 6 – анод, 7 – сетка СПК, 8 – керамический изолятор, 9, 10 – экранный и ускоряющий электроды, 11 – радиатор; в – общий вид

б)

в)

Источник (рис. 1) работает следующим образом: рабочий газ (Ar, N2) напускается в разрядную систему (рис. 1, а) с противоположных торцов. Импульсный тлеющий разряд зажигается между полым катодом 1 и сеткой плазменного катода 2 через отверстие в конической вставке, которая обеспечивает расширение столба разряда в его анодной части до размеров сетки 2. Электроны через сетку плазменного катода 2 поступают в полость плазменной камеры 3. На противоположном от сетки торце камеры установлен стержневой анод 4. Напряжение U2 (50–250 В) между сеткой 2 и стержневым анодом 4 определяет начальную энергию быстрых электронов. Быстрые электроны осциллируют в плазменной камере и ионизуют газ. В результате создается однородная по длине камеры плазма, имеющая потенциал, близкий к потенциалу анода, и отде- ленная от стенок плазменной камеры катодным слоем. Ионный пучок с поперечным сечением 650×80 мм2 формируется двухэлектродной многощелевой ионно-оптической системой 5, 6, электроды которой установлены на боковых поверхностях камеры и корпуса источника ионов. Геометрическая прозрачность ионной оптики составляет 80 %. В испытаниях ионный пучок принимался на водоохлаждаемый коллектор 7. Отрицательный потенциал, приложенный к ускоряющему электроду 6, создает потенциальный барьер, препятствующий поступлению электронов из плазмы, образующейся в пространстве дрейфа ионного пучка, в ускоряющий промежуток системы формирования ионного пучка 5, 6.

Рис. 2. Зависимость тока ионов на коллектор от тока в цепи стержневого анода.

Энергия ионов 15-35 кэВ. Р= 0,04 Па, газ - Ar

Рабочий диапазон изменения давления газа в камере (0,015–0,08 Па) определяется тем, что при уменьшении давления не зажигается самостоятельный тлеющий разряд в электродной системе СПК, а при повышении давления происходит пробой высоковольтного ускоряющего промежутка.

Измерение токов в цепях полого катода 1, стержневого анода 4 позволяет оценивать ток эмиссии ионов из плазмы и среднее число ионизаций n в расчете на один быстрый электрон. В высокоэффективном режиме эмиссии СПК [20] ток тлеющего разряда близок к току эмиссии электронов, а разность тока в цепи стержневого анода и тока эмиссии электронов равна току генерируемых в плазменной камере ионов. Ток тлеющего разряда в цепи полого катода 1 (I1) регулировался в пределах 1–3 А. Ток в цепи стерж- невого анода 4 при этом достигал 3–10 А. Таким образом, в расчете на один быстрый электрон в плазменной камере генерируется n~Iе/(Iа- Iе) ~2–3 иона, где Iе – ток электронов эмитиро- ванных из плазмы самостоятельного тлеющего разряда, Iа – ток в цепи стержневого анода 4.

Поскольку прямые электрические измерения тока пучка на коллектор невозможны из-за наличия пучковой плазмы, ток оценивался калориметрическим методом. Измерение объемного расхода воды через коллектор ( dV/dt ) и разности температур Δ T на входе и выходе коллектора 7 позволяет оценить мощность и ток ионного пучка из соотношения: U_HV I_k = ρ ( dV / dt ) C Δ T , где U HV – ускоряющее ионы напряжение , I к – ток на коллектор, С – теплоемкость, ρ – плотность охлаждающей жидкости.

Качественно характер распределения плотности тока вдоль длинной оси поперечного сече- ния пучка определялся с помощью подвижного стержневого зонда, расположенного на расстоянии ~150 мм от ионно-оптической системы.

Конструкция ионного источника.

Электроды газоразрядной системы ионного источника (рис. 1, б) смонтированы внутри цилиндрического корпуса 1 (1300 мм × ∅ 320 мм), который присоединяется к вакуумной камере через переходной патрубок с фланцем 2. На торце корпуса установлен полый катод 3, с выходной апертурой ∅ 10 мм. На другом торце установлена сборка, содержащая плазменную камеру 5 ( h 750 мм, ∅ 150 мм) со стержневым анодом 6 ( h 700 мм, ∅ 4 мм) и сеткой плазменного катода 7, изготовленной из нержавеющей стали ( ∅ 90 мм, h ~2 мм, ~310 отв. ∅ 3 мм). Электроды смонтированы на керамических высоковольтных изоляторах 8, ∅ 110 мм и высотой 80 мм (ОАО «Ваккер», Москва), в полости которых размещены кабельные вводы, а также фторопластовые трубки для подачи газа и дистиллированной воды. Прокачка воды обеспечивает охлаждение зон крепления электродов, защищает от перегрева резиновые уплотнители и расположенные в полости высоковольтных изоляторов полимерные изоляционные элементы.

Экранный электрод 9 ионно-оптической системы образован набором стержней из вольфрама диаметром 2 мм, расположенных в одной плоскости с шагом 10 мм. Способ установки стержней в электроде допускает их свободное линейное расширение при нагреве, что исключает их короб- ление и нарушение юстировки отверстий ионной оптики. Для снижения провисания потенциала в щелях и уменьшения напряжения отсечки вторичных электронов ускоряющий электрод 10 содержит два параллельных ряда таких стержней. Длина ускоряющего зазора - 40 мм. Корпус 1 и посадочный фланец 2 охлаждаются прокачкой воды через радиатор 11. Расположение источника -вертикальное. Внешний вид источника показан на рис. 1, в.

Результаты эксперимента и их обсуждение. Калориметрические измерения показали, что ток пучка ионов в диапазоне энергий 15-35 кэВ прямо пропорционален току в цепи анода несамостоятельного разряда (рис. 2). Линейность зависимости тока пучка от тока разряда свидетельствует о малых потерях пучка на электродах ионной оптики в широком диапазоне энергий ионов и позволяет с точностью до 10 % оценивать ток пучка, измеряя ток в цепи анода ( I _к~1/8• 1 а ).

Отношение тока ионов на коллектор к току в цепи высоковольтного источника характеризует эффективность преобразования электрической энергии в энергию ионного пучка. Это от- ношение практически не зависит от тока разряда и тока в цепи источника высокого напряжения Ii (0,1-2 А), но существенно меняется в функции ускоряющего напряжения. На рис. 3 представлена зависимость отношения тока ионного пучка в цепи коллектора, измеренного калориметри- ческим методом, к току источника ускоряющего напряжения Iк/Ii от энергии ионов. Увеличение энергии ионов вызывает снижение тока пучка, поступающего на коллектор, по следующим причинам:

Рис. 3. Зависимость отношения тока ионов на коллектор к полному току в цепи источника питания от энергии ионов. P= 0,04 Па, Ar. I 1 ~ 1,2 – 3 А

• 1)    ионизация газа быстрыми ионами в ускоряющем промежутке и возникновение пучков электронов и вторичных ионов. Ускоренные электроны нагревают плазменную камеру 3; вторичные ионы бомбардируют ускоряющий электрод, что приводит к дополнительной эмиссии Y -электронов. Сечение ионизации ионным ударом о для аргона достигает максимума в области 35-45 кэВ [16, 17], которой соответствуют минимальные значения тока в цепи коллектора (рис. 3) . Приращение тока в цепи высоковольтного источника составляет ~(2 + Y 0,5) I_kL о n ,

( n - плотность остаточного газа, L - длина ускоряющего зазора, коэффициент ионно-электронной эмиссии y ~ 2 [2], о ~2-10^-15 см² [17, 21]). Вклад этого фактора в снижение мощности пучка, поступающего на коллектор, оказывается самым значимым (~30 %);

• 2)    неоптимальные условия формирования импульсного пучка на фронте и спаде импульса тока, длительностью 40-140 мкс, в течение которых переносится от 5 до 20 % от полного заряда в импульсе. Во время изменения плотности эмиссионного тока пучок не фокусируется, поэтому часть ионов попадает на электроды источника. Поскольку с ростом энергии ионов увеличивается коэффициент ионно-электронной эмиссии, то даже при постоянном токе ионных потерь суммарные потери, определяемые с учетом вклада Y -электронов, будут возрастать. Оценка вклада этого фактора в снижение мощности пучка дает ~13 %. Косвенным доказательством правильности проведенной оценки служит увеличение среднего тока ионов на коллектор на ~7 % при уменьшении длительности фронта импульса в ~2 раза или при соответствующем увеличении длитель-

• ности импульса;

• 3)    существование потока ионов из пучковой плазмы, поступающих на ускоряющий электрод. Часть эмитированных в результате ионной бомбардировки Y -электронов попадает в ускоряющий промежуток, создавая встречный электронный пучок. С ростом энергии ионов ионизация газа и ток электронов возрастает. Полагая, что на ускоряющий электрод поступает ~1/6 от полного тока ионов из пучковой плазмы и ~50 % Y -электронов попадает в ускоряющий промежуток, можно оценить ток Y -электронов как ~ —I_k — Lоn (о - эффективное сечение ионизации ~2-10^-15 см², 2 6

коэффициент ионно-электронной эмиссии γ ~0,6). Потери мощности в результате действия этого фактора составят 4–10 %;

• 4)    перезарядка ионов на атомах остаточного газа в ускоряющем промежутке ( σ ~10 –14 см 2 [19]) и последующая эмиссия γ -электронов в результате бомбардировки ускоряющего электрода вторичными ионами, дает значение потерь ~3–6 %.

В результате использования импульсно-периодического режима генерации ионного пучка уменьшение ускоряющего зазора и, следовательно, т ока вторичных части ц [20] позволило снизить нагрев разрядной системы и корпуса источника в ~1,5–2 раза. Кроме того, в так о м режиме при любом среднем токе пучка изменением частоты повторения импульс о в обеспечивается оптимальная фокусировка пучка без изменения длины ускоряющего промежутка, поскольку импульсная плотность тока пучка остается постоянной.

На рис. 4 приведена экспериментальная зависимость амплитуды максимального то к а пучка на коллекторе от ускоряющего ионы напряжения. При низких энергиях ионов ускоряющий зазор, рассчитанный на энергию 30 кэВ, не пропускает большие плотности ионного тока; а при энергии выше 25 кэВ ток вторичных частиц дополнительно нагружает источник питания, в результате ток пучка ограничен мощностью источника электропитания. В результате, максимальный ток ионов на коллектор (1 А) при длине ускоряющего зазора 4 см достигается в диапазоне энергий 15–25 кэВ.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика источника. 0,5 мс, 100 Гц, I a ~ 3–9 A. P= 0,04 Па, Ar

Рис. 5. Продольное распределение плотности тока ионного пучка: а – односторонний, б – двухсторонний напуск газа. Р= 0,04 Па. Ar

Измерения продольного распределения плотности тока ионов показали, что основным фактором, влияющим на степень неоднородности плаз м ы, является градиент плотности газа, обусловленный прокачкой газа через электродную систему [16, 20]. При двустороннем напуске газа и односторонней инжекции электронов в камеру длиной 800 мм, близкое к однородному распределение достигается на длине ~650 мм. Краевые эффекты, приводящие к снижению плотности ионного тока, проявляются на расстоянии от торцо в камеры ~75 мм. Распределения плотности тока ионов вдоль длинной оси сечения пучка (600×5 0 мм²) приведены на р и с. 5. Локальные неоднородности плотности тока обусловлены структурой ионно-оптической системы и могут быть уменьшены увеличением расстояния от источника до коллектора.

Заключение. Применение несамостоятельного разряда с плазменным катодом и о т бором ионов в направлении, нормальном направлению инжекции электронов, обеспечивает формирование ленточного ионного пучка значительной протяженн о сти с близким к равномерному распределением плотности тока вдоль большой оси сечения пучка.

Эффективность генерации пучка ионов с энерг и ей в несколько десятков кэВ при давлении газа в ускоряющем промежутке 0,025–0,05 Па ограничивается неупругими процессами взаимодействия ионного пучка с газом, влияние которых снижается при испо л ьзовании импульснопериодического режима генерации пучка.

Разработан источник, генерирующий ленточные пучки ионов газов (N 2 , Ar, O 2 и их смесей) в импульсно-периодическом (5–1000 Гц, 0,25–0,5 мс) режиме с импульсным током до 1 А , со средним током до 0,2 А и энергией ионов 15–40 кэВ.

Неравномерность распределения плотности тока вдоль длинной оси сечения пучка ~(650×80 мм²) составляет ± 10 % в диапазоне давлений газов (2,5–5)·10^–2 Па.

Высокая надежность и ресурс электродов источника (более 1000) часов обусловлены использованием в плазменном катоде с сеточной стабилизацией тлеющего разряда с холодным катодом и крупноструктурной сетки с размером отверстий 2 мм.

Источник может быть использован для модификации поверхности различных классов материалов: в результате ионной бомбардировки происходят очистка поверхности, активация поверхностных связей и ионно-лучевое перемешивание, что позволяет в несколько раз усилить адгезионные связи между наполнителем и связующим (или подложкой и покрытием). Изменение химического состава и структуры материала ионной имплантацией позволяет повышать твердость (5–50 %), износостойкость (до 2 раз), усталостную прочность и т. д. Результат воздействия зависит от выбора материала, имплантируемой примеси и режимов обработки.

Исследования частично проводились в рамках проекта Областной Программы НИОКР в области нанотехнологий в интересах инновационного развития Свердловской области (2008–2010 гг).