О распределении плотности энергии в поперечном сечении радиально сходящегося низкоэнергетического сильноточного электронного пучка

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Сильноточные радиально сходящиеся электронные пучки, используемые для поверхностной модификации материалов, должны иметь приемлемую однородность распределения плотности энергии вдоль z-координаты W(z) на обрабатываемой мишени (аноде). Автографы пучка на аноде (области оплавления его поверхности), представленные, в частности, в наших предыдущих работах [1, 2], дают лишь качественное представление о распределении плотности энергии в пучке. Эти автографы только фиксируют факт превышения порога поверхностного плавления для данного материала анода (обрабатываемой мишени). О распределении плотности энергии можно было бы судить по глубине проплавления материала на различных участках анода, однако такой метод чрезвычайно трудоемок и нерационален из-за необходимости приготовления большого количества поперечных шлифов. В настоящей работе нами проведены количественные измерения распределения W(z) с помощью секционированного трехканального калориметра.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использовалась установка, устройство и принцип действия которой описаны в работе [2]. На рис. 1 представлен общий вид рабочей камеры и электронной пушки. Все эксперименты проводились с двухсекционным вариантом катодного узла, ширина автографа пучка на аноде в этом случае составляла около 7 см [2]. На рис. 2 представлено устройство трехканального секционированного калориметра, который устанавливался вместо стержневого анода. Каждый датчик представлял собой медный поглотитель электронов пучка, прошедших через коллимирующее отверстие диаметром 6.8 мм; к тыльной стороне поглотителя припаян калиброванный терморезистор В57820-М 561-А5 номиналом 1 кОм при температуре 25 °С, сопротивление R которого до и после импульса пучка измерялось цифровым мультиметром. Датчики располагались внутри полого анода наружным радиусом R_A = 0.8 см; каждый датчик пайкой электрически соединялся с анодом двумя нержавеющими проволоками диаметром 0.3 мм и длиной 8 мм. Масса каждого датчика составляла 4.9 ± 0.1 г. Калибровочные кривые всех терморезисторов R(T) описываются функцией R = R₀exp(G/T), где R₀ = 0.00157 Ом, G = 4002 К, T – температура датчика в Кельвинах с точностью не хуже ± 4%. Зарядное напряжение генератора высоковольтных импульсов U_ch, определяющее амплитуду импульса ускоряющего напряжения, варьировалось в интервале от 12 до 23 кВ.

 

Рис. 1. Общий вид рабочей камеры и электронной пушки: 1 – катод, 2 – керамическая трубка, 3 – электрод дугового источника плазмы, 4 – резистор ТВО-2, 5 – пучок медных проволок, 6 – стержневой анод диаметром 10 мм, 7 – подводы импульса высокого напряжения к катоду, 8 и 9 – цанговые токосъемы, 10 и 11 – пояса Роговского, 12 – рабочая камера, 13 – патрубок откачки, 14 – патрубок напуска рабочего газа, 15 – смотровое окно, 16 – чашеобразный экран, 17 – изолятор ввода ускоряющего напряжения, 18 – датчики давления газа, 19 – стержневой ввод ускоряющего напряжения, 20 – соединительный стакан.

 

Рис. 2. Схематическое устройство секционированного калориметра: 1 – полый анод, 2 – коллимирующие отверстия, 3 – медный поглотитель, 4 – терморезистор, 5 и 6 – токопроводы. Координата z = 0 соответствует положению посередине между катодными секциями, расстояние между центрами катодных секций 4 см. Выводы терморезисторов условно не показаны.

 

При проведении измерений мы исходили из азимутальной симметрии пучка. В пользу этого говорят азимутальная однородность автографов пучка на аноде и азимутальная однородность свечения плазмы в диоде, приведенных в нашей предыдущей работе [2]. Таким образом, в первом приближении можно считать пучок азимутально симметричным и исследовать распределение плотности энергии в зависимости только от координаты z.

Регистрация импульсов ускоряющего напряжения осуществлялась с помощью активного делителя, измерений полного тока в разрядном контуре и тока пучка на анод – поясами Роговского, работающими в режиме трансформатора тока. Сигналы с датчиков подавались на входы 4-канального широкополосного (200 MГц) цифрового осциллографа Tektronix TDS 2024.

Откачка рабочей камеры до давления 0.006 Па осуществлялась турбомолекулярным насосом, а напуск рабочего газа (аргон) – с помощью прибора СНА-2.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Типичные осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения, полного тока катода и токов на анод приведены на рис. 3. Токи на анод, регистрируемые в цепях токосъемов 8 и 9 (рис. 1), несколько отличаются ввиду различной длины отрезков анода от плоскости катода до соответствующего токосъема, а значит, и их индуктивности. Рост токов начинается примерно через 2.5 мкс после начала импульса – это время необходимо для заполнения плазмой (прежде всего катодной) зазора между катодом и анодом, поскольку начальная токопропускная способность вакуумного зазора шириной d = R_K – R_A = 3.2 см (здесь R_K = 4 см – внутренний радиус катода) сильно ограничена объемным зарядом электронов пучка. Необходимо также отметить, что ток пучка на анод уменьшается с радиусом анода (что видно из сравнения рис. 3в с рис. 3а, б), но незначительно (с 25 кА до 22 кА). Это можно объяснить тем, что уменьшение площади анода и, соответственно, площади эмитирующей поверхности катодной плазмы компенсируется эквивалентным увеличением концентрации электронов, а значит, и плотности эмиссионного тока. Таким образом, плотность энергии пучка на аноде должна возрастать с уменьшением радиуса последнего почти обратно пропорционально.

 

Рис. 3. Осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения (1-й канал, 20 кВ/дел.), полного тока катода (2-й канал, 12 кА/дел.) и токов пучка на анод (3-й и 4-й канал, 10 кА/дел.), Uch = 18 кВ: а – газонаполненный диод (аргон при 0.08 Па, радиус анода –0.8 см); б – вакуумный диод (давление остаточных газов – 0.006 Па, радиус анода – 0.8 см); в – газонаполненный диод (аргон при 0.08 Па, радиус анода – 0.5 см). Временной масштаб – 1 мкс/дел.

 

Результаты калориметрических измерений приведены на рис. 4. Усреднение проводилось по 10 измерениям в каждой серии. Видно, что в центральной области пучка, как правило, плотность энергии несколько выше, чем в периферийной области, несмотря на то, что крайние датчики располагались в плоскостях расположения катодных секций. Основной причиной этого, на наш взгляд, является стягивание электронов пучка в его центральную область под действием собственного магнитного поля. Но в первом приближении можно обеспечить достаточно однородную обработку протяженных изделий при их продольном перемещении и числе импульсов в серии (в одном местоположении) около 10–15. Статистический разброс (стандартное отклонение) от импульса к импульсу составляет от 12 до 38%, что вероятно вызвано локальными нестабильностями концентрации катодной плазмы.

 

Рис. 4. Распределения плотности энергии пучка вдоль анода для различных значений зарядного напряжения.

 

Сопоставление результатов калориметрических измерений с автографами пучка на различных металлических анодах (нержавеющая сталь, медь, латунь), полученными в [1, 2], и данными компьютерных расчетов порогов плавления [3, 4] показало удовлетворительное согласие между ними. Кроме того, результаты настоящих измерений коррелируют с результатами измерений полной энергии пучка цилиндрическим калориметром [2], а также оценками этой энергии по осциллограммам ускоряющего напряжения (с коррекцией на индуктивное падение напряжения) и суммарного тока пучка на анод.

Нами были проведены также ресурсные испытания катодного узла и источника низкоэнергетического сильноточного электронного пучка в целом. Условия испытаний: U_ch = 18 кВ, давление аргона – 0.08 Па, анод – стержень из нержавеющей стали диаметром 1 см, частота посылок импульсов – 1 имп./10 с, общее число импульсов – 50 000. Периодическая проверка осциллограмм импульсов показала, что деградации токовых характеристик источника не наблюдается. Устойчивость работы катодного узла объясняется тем, что пробивные напряжения по поверхности диэлектрика в вакууме на порядок ниже пробивных напряжений в отсутствие диэлектрика [5]. Это и обеспечивает надежное срабатывание дуговых источников плазмы в катодном узле.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные калориметрические измерения распределения плотности энергии по сечению радиально сходящегося низкоэнергетического сильноточного электронного пучка дают возможность подбора режимов облучения образцов и изделий. Плотность энергии в центральной части пучка, как правило, в среднем на 25‒30% выше, чем на его периферии, но для решения многих задач поверхностной модификации металлических материалов такая неоднородность вполне приемлема. Данная неоднородность распределения, вызванная фокусировкой электронов пучка под действием собственного магнитного поля, может быть в дальнейшем компенсирована увеличением расстояния между катодными секциями.

Надежность работы катодного узла подтверждена ресурсными испытаниями в течение 50 тысяч импульсов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-29-00070).

About the authors

П. П. Кизириди

Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук

Email: ozur@lve.hcei.tsc.ru
Russian Federation, 634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Г. Е. Озур

Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: ozur@lve.hcei.tsc.ru
Russian Federation, 634055, Томск, пр. Академический, 2/3

References

Supplementary files