Многофункциональная установка для демонстрационных экспериментов по физике и технике электронно-пучковой плазмы

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Среди многочисленных способов генерации низкотемпературной плазмы плазма, возбуждаемая инжекцией электронных пучков в плотные газообразные среды (так называемая электронно-пучковая плазма (ЭПП)), занимает особое место благодаря своим уникальным свойствам. Электронный пучок удается инжектировать в плазмообразующие среды практически любого химического состава в широком диапазоне давлений (от долей Торр до атмосферного и даже более высоких давлений). При этом не происходит контракция плазменного объема, характерная для газоразрядной плазмы. В плазмообразующий газ можно вводить мелкодисперсные добавки в виде распыленных порошков или жидкостей, создавая плазму аэрозолей. Как правило, не возникают значимые технические трудности при внесении в ЭПП каких-либо макроскопических тел, например, с целью пучково-плазменной модификации их поверхности.

Принцип генерации и общие свойства ЭПП хорошо известны [1]. При прохождении быстрых электронов через плотный газ электронный пучок рассеивается и деградирует в упругих и неупругих столкновениях с молекулами газа; при неупругих столкновениях происходят ионизация газа и его возбуждение, т.е. генерируется ЭПП. Форма и размеры плазменного облака определяются параметрами первичного электронного пучка (начальной энергией электронов E_b и током пучка I_b), химическим составом и давлением плазмообразующего газа P_m.

Обратные плазменные процессы (рекомбинация, тушение возбужденных состояний и др.) сопровождаются нагревом газа и эмиссией излучений различной природы в диапазонах длин волн от инфракрасного до рентгеновского. Это делает пучково-плазменное образование объектом, удобным для визуального наблюдения и изучения с помощью достаточно простых средств оптической диагностики. Энерговыделение в ЭПП объемное, его плотность определяет многие прямые и обратные плазменные процессы и опосредованно интенсивность излучения различных зон плазменного облака. Плотность энерговыделения имеет максимум на некотором расстоянии от точки инжекции, положение которого зависит от характеристик электронного пучка и плазмообразующей среды.

Состав ЭПП сложен: в ней имеется электронная компонента (электроны первичного пучка и вторичные плазменные электроны), а также нарабатываемые в многочисленных и разнообразных плазменных процессах тяжелые частицы (ионы и нейтральные частицы) в основном и возбужденном состояниях. Для плазмы достаточно сложных молекулярных газов и паров характерно образование радикалов. Если ЭПП контактирует с какой-либо поверхностью, то в составе приповерхностной плазмы обычно присутствуют частицы, эмитируемые поверхностью: электроны, частицы, образовавшиеся в результате реактивного распыления или испарения материала, продукты гетерофазных плазмохимических реакций.

Функция распределения электронов по энергиям в ЭПП немаксвелловская, а сама плазма является сильнонеравновесной. Наработка в плазменном объеме многочисленных и разнообразных тяжелых частиц, способных вступать в сложные плазмохимические реакции между собой и с поверхностью макроскопических тел или мелкодисперсных частиц, делает ЭПП химически активной.

Таким образом, ЭПП представляет собой сложный объект, интересный как для фундаментальных исследований, так и с точки зрения технических и технологических приложений. Наблюдаемые физические явления и закономерности процессов в пучково-плазменных системах имеют выраженную специфику и, что важно, могут быть продемонстрированы без сложного диагностического оборудования. Для таких демонстраций на базе известного генератора ЭПП [2] была разработана лабораторная установка, способная воспроизводить условия, наиболее часто встречающиеся в реальных пучково-плазменных системах исследовательского и технологического назначения, а именно:

• непрерывную и импульсно-периодическую генерацию ЭПП в свободном пространстве и в замкнутом объеме при форвакуумном давлении;
• термическое и нетермическое взаимодействие ЭПП с поверхностью макроскопических твердых тел и с частицами мелкодисперсного аэрозоля, а также эмиссию излучений различной природы при таких взаимодействиях;
• электрофизические явления, которые наблюдаются в пучково-плазменных системах и часто являются критически значимыми для их функционирования.

Поставленная задача была решена дооснащением генератора ЭПП специальным модулем (рабочей камерой) с необходимыми для демонстраций конструктивными элементами, узлами и диагностическими средствами.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2.1. Генератор электронно-пучковой плазмы

Способ генерации ЭПП иллюстрируется на рис. 1, на котором изображена принципиальная схема экспериментальной установки. Остросфокусированный электронный пучок 3 формируется в высоковакуумной камере 2 электронно-лучевой пушкой 1 и направляется на вход выводного окна 4, через которое он инжектируется в заполняемую плазмообразующим газом рабочую камеру 8. При этом формируется облако ЭПП 7.

 

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – электронная пушка, 2 – высоковакуумная камера, 3 – электронный пучок, 4 – выводное окно, 5 – газовое сопло, 6 – контейнер, 7 – ЭПП, 8 – рабочая камера, 9 – откачная вакуумная магистраль, 10 – регулятор расхода газа.

 

Электронная пушка триодного типа питается от высоковольтного источника, управляемого контроллером электронного пучка. Контроллер обеспечивает регулировки ускоряющего напряжения пушки и силы тока пучка, поддерживая непрерывную или импульсно-периодическую генерацию ЭПП. Кроме этого, контроллер имеет опцию отклонения и сканирования пучка внутри рабочей камеры с помощью двухкоординатной электромагнитной системы, установленной на выходе из выводного окна.

Диапазоны регулировок режимов работы установки таковы: E_b = 20–30 кэВ, I_b = 1–100 мА, P_m = 10^-2–10² Торр. В качестве плазмообразующих газов в учебных экспериментах обычно применяются воздух и инертные газы, однако, для демонстрации плазмохимических эффектов иногда требуются другие газы, такие как кислород, метан, гексафторид серы (SF₆). Для демонстрации электрофизических явлений полезной оказывается инжекция в плазменное облако частиц распыленных порошков или жидкостей, при этом генерируется аэрозольная ЭПП.

Важно, что ЭПП можно возбуждать и в свободном объеме, и внутри какого-либо контейнера, локализующего плазменный объем. В последнем случае имеет место контакт ЭПП со стенками контейнера, сопровождающийся разнообразными приповерхностными процессами электрофизической и плазмохимической природы. Аналогичные процессы происходят и при контакте ЭПП с поверхностью образца (мишени), если этот образец помещен в плазменное облако или плазменный поток. Бомбардировка быстрыми электронами частиц аэрозоля, мишеней и стенок контейнера приводит к накоплению ими значительного электростатического потенциала, обычно отрицательного, что порождает сильное кулоновское взаимодействие в плазменном объеме.

2.2. Рабочая камера и диагностический комплекс

Для демонстрационных экспериментов конструкция рабочей камеры и ее внутренняя оснастка являются наиболее важными, поскольку именно они обеспечивают наглядную иллюстрацию разнообразных явлений, которые протекают при взаимодействии электронного пучка с плотной средой (газом, жидкостью, твердым телом, аэрозолем). Многофункциональная камера, специально разработанная для таких демонстраций, имеет набор сменяемых элементов под конкретные экспериментальные задачи. Размер камеры 350×350×350 мм³.

Внутри рабочей камеры 8 могут быть установлены контейнеры 6 различной геометрии. На рис. 1 изображен вариант контейнера в виде цилиндрической трубки. Электронный пучок инжектируется вдоль трубки через один из ее торцов. Диаметр контейнера варьируется от 10 до 200 мм, а длина – от 100 до 300 мм. Контейнер может быть изготовлен из металлических и диэлектрических материалов.

На ближнем к выводному окну торце контейнера устанавливается сопло 5 с адаптерами под различные диаметры трубки, которое формирует в ней поток плазмообразующего газа. Величина расхода газа G_g задается программируемым натекателем. Через противоположный открытый торец контейнера газ выбрасывается в полость рабочей камеры, соединенной с вакуумным насосом (на рисунке не показан) магистралью 9 через пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор 10. Регулятор управляет производительностью откачки G₀. Подбором величин G_g и G₀ можно устанавливать требуемые скорость потока и величину статического давления в контейнере (которое в данной компоновке, очевидно, равно давлению в рабочей камере P_m). Все перечисленные регулировки выполняются контроллерами плазмообразующей среды по загружаемым в них алгоритмам.

Стенки контейнера имеют отверстия, на которых размещаются инжекторы для диспергирования в ЭПП порошков или жидкостей, если требуется создать аэрозольное пучково-плазменное образование. Разработаны различные варианты инжекторов как для механического распыления в неподвижном газе (центробежные форсунки, вибрирующие сита, ультразвуковые распылители и др.), так и для распыления газовым потоком (струйные форсунки, пневматические диспергирующие устройства).

Рабочая камера оснащена набором герметичных оптических и электрических вводов, адаптированных к сигналам от расположенных внутри камеры сенсоров системы диагностики. В стенках камеры имеются радиационно-защищенные окна для визуального наблюдения за происходящими в ней процессами и при необходимости для их фото- или видеофиксации, поскольку многие из упомянутых выше явлений (в частности, локализация зон максимального энерговыделения и аномально высокая зарядка частиц аэрозоля [3] в ЭПП) хорошо видны невооруженным глазом.

Измерения важных для понимания физики ЭПП величин, например величины потенциала, который накапливается частицами аэрозоля или макроскопическим телом, помещенным в ЭПП, требуют приборного оснащения. Для таких демонстраций предназначена система специально разработанных электрических зондов, вводимых непосредственно в ЭПП или размещаемых на стенке контейнера. На рис. 1 показан модуль диагностики с неподвижным зондом, находящимся в плазме, и внешним зондом – металлическим кольцом, охватывающим диэлектрический контейнер.

Демонстрации тепловых эффектов в ЭПП требуют температурных измерений, для которых предназначен модуль термометрии. Так, например, нагрев тел, помещенных в неподвижное облако или в поток ЭПП, удается регистрировать термосенсорами, которые устанавливаются в различных точках стенки контейнера или на поверхности мишени (см. раздел 3.4). Стандартные контактные термосенсоры (термопары, терморезисторы и т.п.) конструктивно адаптированы к работе в условиях интенсивной бомбардировки быстрыми электронами. Для демонстрации нестационарных тепловых процессов в ЭПП сигналы с термосенсоров удобно выводить на работающий в режиме реального времени многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Следует отметить, что возможная электростатическая зарядка термосенсоров в ЭПП требует специальной защиты входов АЦП.

Наиболее методически сложной для демонстрации является регистрация спектров излучения ЭПП и тел, контактирующих с ней (см. разд. 3.3). Использовались оптоволоконные спектрометры, работающие в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Регистрируемые спектры выводятся на монитор компьютера в графическом и цифровом форматах. Кроме спектрометров, в модуле оптической диагностики имеются LCD фото- и видеокамеры, изображения с которых также передаются на компьютер. Загруженное в компьютер программное обеспечение поддерживает совместную работу спектрометров, а также дает возможность обрабатывать спектры и изображения в режиме реального времени.

Плазмохимические эффекты могут проявлять себя различными способами, однако наиболее просто и наглядно их можно продемонстрировать, сравнивая состояние поверхности какого-либо образца до и после пучково-плазменного воздействия. Иногда различия в цвете или структуре поверхности этих образцов можно наблюдать визуально. Еще одним весьма наглядным эффектом воздействия ЭПП на материалы является изменение их гидрофильно-гидрофобных свойств. Этот эффект проявляется как увеличение или уменьшение контактного угла смачивания поверхности образца (например, полимерной пленки или ткани) в результате пучково-плазменного воздействия. Качественно изменение капиллярности и смачиваемости образцов часто видно невооруженным глазом (см. разд. 3.4).

3. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

3.1. Генерация электронно-пучковой плазмы в различных условиях

На рис. 2 дана фотография неподвижного плазменного облака, образующегося в контейнере диаметром 300 мм, заполненном воздухом при давлении P_m = 0.5 Торр. В этой же конфигурации удобно продемонстрировать и приповерхностную ЭПП, для чего в плазменном облаке размещается какое-либо тело (обычно простейшей геометрии: диск, сфера или конус). Плазма вблизи поверхности титанового диска, нагретого до температуры около 900 К, хорошо видна на том же рисунке. Чтобы показать особенности возбуждения приповерхностной плазмы в условиях электростатической зарядки макроскопических тел (см. разд. 3.2), в качестве мишеней можно использовать диэлектрические материалы, например керамики. Держатели мишеней имеют опцию подключения/отключения заземления образцов.

 

Рис. 2. Генерация ЭПП воздуха в свободном пространстве и вблизи поверхности нагретого металлического диска, P_m = 0.5 Торр.

 

Генерация ЭПП внутри прозрачного цилиндрического контейнера иллюстрируется рис. 3. На фотографии хорошо видна зона плазменного облака с максимальной интенсивностью свечения, т.е. зона максимального объемного энерговыделения. Положение этой зоны относительно плоскости инжекции электронного пучка зависит от давления плазмообразующего газа: с ростом давления она смещается в направлении выводного окна, что хорошо видно на графиках, представленных на рис. 4, которые получены в автоматическом режиме при плавном изменении давления P_m в диапазоне 0.5–5.0 Торр. Алгоритм изменения P_m предварительно загружается в контроллер давления плазмообразующей среды (рис. 1). Варьируя с помощью контроллера электронного пучка ускоряющее напряжение электронной пушки и используя плазмообразующие газы с сильно различающейся плотностью (например, гелий и аргон), можно проиллюстрировать ряд важных физических закономерностей, характеризующих движение быстрых электронов в плотной среде [4].

 

Рис. 3. Генерация ЭПП воздуха в кварцевой трубке диаметром 20 мм: а – P_m = 5.0 Торр; б – P_m = 2.5 Торр; в – P_m = 1.0 Торр.

 

Рис. 4. Продольные профили интенсивности свечения ЭПП в кварцевой трубке диаметром 20 мм при различных значениях давления воздуха (компьютерная обработка экспериментальных данных).

 

3.2. Электростатическая зарядка макроскопических тел и частиц аэрозоля в электронно-пучковой плазме

Электростатическая зарядка объектов, находящихся в ЭПП (например, макроскопических мишеней, частиц аэрозоля) или контактирующих с ней (например, стенок контейнера), существенным образом влияет на формирование плазменного объема и протекающие в нем физические процессы. Наиболее просто можно продемонстрировать электростатические эффекты, наблюдая за разлетом частиц облака аэрозоля, в которое инжектируется электронный пучок (рис. 5). В этом эксперименте частицы порошка сыплются сверху сквозь облако ЭПП из вибрирующего сита [1]. За время пребывания в плазме эти частицы успевают накопить заряд (как правило – отрицательный), достаточный для возникновения сильного кулоновского взаимодействия между ними [3]. Интенсивность разлета зависит от давления плазмообразующего газа: по мере повышения P_m интенсивность разлета снижается. При достаточно высоких давлениях (в диапазоне P_m = 1−3 Торр в зависимости от состава плазмообразующего газа) разлет прекращается совсем.

 

Рис. 5. Разлет облака аэрозольных частиц Al₂O₃ при P_m = 0.2 Торр, плазмообразующий газ – воздух.

 

В ходе демонстрационных экспериментов потенциал макроскопического тела в облаке ЭПП удается измерить с помощью зондов, входящих в состав диагностического комплекса. Для регистрации зондовых сигналов удобнее всего использовать многоканальные аналого-цифровые преобразователи с высоким входным сопротивлением, которые позволяют одновременно записывать в виде графического изображения и количественно измерять сигналы с нескольких зондов, а также сигнал с вакуумметра рабочей камеры. На рис. 6 дана выведенная на монитор АЦП запись всех перечисленных сигналов при переменном давлении P_m. Кривые 2 и 3 соответствуют сигналам со сферического зонда, установленного внутри контейнера, и с внешнего кольцевого зонда, охватывающего кварцевую трубку; кривая 1 – сигнал, снимаемый с вакуумметрического преобразователя (VSM 7XDL). В этих экспериментах электронная пушка работала в импульсно-периодическом режиме.

 

Рис. 6. Экран монитора АЦП при измерении потенциала сферического зонда (3) и кольцевого зонда (2) при генерации ЭПП воздуха в кварцевой трубке при переменном (падающем) давлении плазмообразующего газа (1).

 

Используя проточный контейнер как один из вариантов сменной оснастки рабочей камеры, можно качественно охарактеризовать влияние аэродинамики на электрофизические процессы в ЭПП. Именно такая постановка эксперимента, в котором демонстрируется влияние обдува тела потоком ЭПП на его электростатическую зарядку, иллюстрируется на рис. 1. Скорость потока регулируется настройками контроллеров давления плазмообразующего газа и ПИД-регулятора.

3.3. Генерация излучений при работе пучково-плазменных установок

Практически все эксперименты с ЭПП сопровождаются эмиссией излучений различных длин волн. Оптическое излучение с линейчатым спектром возникает при деактивации возбужденных состояний молекул плазмообразующего газа; положение спектральных линий и их интенсивность определяются, главным образом, составом газа и его температурой. Модуль оптической диагностики (рис. 1), в котором имеются спектрометры ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов, позволяет наглядно показать спектры ЭПП всех газов, применяемых в демонстрационных экспериментах. В качестве примера на рис. 7 представлен исходный спектр излучения ЭПП азота, возбуждаемой в кварцевой трубе. Хорошо видна суперпозиция линейчатого спектра плазмы и непрерывного спектра люминесценции кварца в диапазоне 400–600 нм. Если трубка оказывается нагретой до нескольких сотен градусов Цельсия (такой режим реализуется при больших токах пучка (I_b > 20 мА) и достаточно высоких давлениях газа (P_m > 10 Торр)), то в ближнем инфракрасном диапазоне обнаруживается начало непрерывного спектра теплового излучения стенки контейнера.

 

Рис. 7. Экран монитора спектрометра AvaSpec-2048 при регистрации оптического спектра излучения ЭПП азота, возбуждаемой в кварцевой трубке.

 

Программное обеспечение модуля оптической диагностики позволяет отфильтровывать информативный сигнал от шума и предварительно идентифицировать спектральные линии. Так, компонентами, которые надежно регистрируются в ультрафиолетовой и видимой частях спектра ЭПП азота, являются молекулы N₂ и ионы N₂⁺. Примеры компьютерной обработки спектров ЭПП, возбуждаемой в люминесцирующем контейнере, можно найти в нашей работе [5]. Таким образом, в ходе экспериментов с ЭПП удается не только продемонстрировать факт генерации оптического излучения с линейчатым и непрерывным спектрами, но и объяснить, каким образом можно идентифицировать излучения, присущие различным процессам, которые происходят в рабочем объеме установки.

Для демонстрации генерации тормозного излучения при работе установки на наружной поверхности трубки устанавливается детектор, чувствительный к мягкому рентгеновскому излучению. Варьируя ток пучка и ускоряющее напряжение пушки, можно качественно охарактеризовать зависимость интенсивности тормозного излучения от параметров ЭПП. Такие эксперименты удобнее всего проводить, используя комбинацию зонд-детектор: зонд достаточно большого размера, изготовленный из тяжелого металла (например, вольфрама), располагается в поле диаграммы направленности детектора. Описанная комбинация является одним из вариантов оснастки рабочей камеры.

3.4. Теплофизические, химико-термические и плазмохимические явления при пучково-плазменном воздействии на вещество

В соответствии с общепринятыми физическими моделями нагрев плазмообразующего газа и контактирующей с ЭПП плотной среды (жидкости или твердого тела) происходит за счет энерговыделения электронного пучка, а охлаждение – за счет различных механизмов теплоотдачи (теплопроводность, конвекция, излучение). Баланс подводимой и отводимой энергии определяет температуру среды. Для различных условий экспериментов модуль термометрии (рис. 1) обеспечивает регистрацию и динамические измерения температуры выбранных точек контейнера и объектов, находящихся в ЭПП. Применяя сменные контейнеры и мишени, удается продемонстрировать:

• динамику нагрева твердых образцов различной геометрии, помещенных в ЭПП, и фазовые переходы на их поверхностях;
• плазменно-стимулированный синтез химических соединений на поверхности материалов (например, синтез оксидов и нитридов титана на плоской поверхности и на внутренней поверхности труб);
• низкотемпературную модификацию поверхности материалов (например, изменение гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности полимеров и биополимеров).

Комментируя физику этих процессов [6], можно продемонстрировать роль химического и фазового составов плазмообразующей среды и материала образца, влияние обдува образца потоком ЭПП; демонстрируются также влияние геометрии реакционного объема и возможности управления плазменными процессами за счет варьирования параметров ЭПП. Фотографии, сделанные в ходе таких экспериментов, можно найти в разделе “Дополнительные материалы” ¹.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Описанная в настоящей работе установка была создана на базе действующего экспериментального комплекса, дополненного специально разработанными модулями для демонстрации основных физических явлений и закономерностей при генерации электронно-пучковой плазмы и ее взаимодействия с материалами различной природы. Демонстрации достаточно зрелищные и наглядно иллюстрируют принципы конструирования пучково-плазменных систем и характерные для них рабочие процессы.

Необходимая для демонстрационных экспериментов диагностическая аппаратура относительно проста, допускает компьютерную обработку получаемых данных, совместима со стандартными средствами визуализации и позволяет использовать установку для учебных экспериментов, в том числе в онлайн-формате. Накоплен значительный опыт применения установки для выполнения студенческих индивидуальных и групповых научно-исследовательских проектов, а также в целях популяризации науки и перспективных технологий.

 

¹ Дополнительные материалы к статье размещены на сайтах https://link.springer.com/ (английская версия) и https://elibrary.ru (русская версия).

About the authors

М. Н. Васильев

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: mvasiliev2006@rambler.ru
Russian Federation, 125412, Москва, ул. Ижорская, 12, стр. 2

Т. М. Васильева

Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет)

Email: tmvasilieva@gmail.com
Russian Federation, 141701, Долгопрудный, Московская обл., Институтский пер., 9

References

Supplementary files