3. Общие характеристики приэлектродных и пристеночных областей в грк

Характер процессов в области катодного падения напряжения определяется в основном типом разряда, используемого в конкретной ГРК. В связи с этим описание ее характеристик будет приведено ниже в главах 2 и 3 при рассмотрении свойств дуговых и несамостоятельных тлеющих разрядов. Свойства же пристеночных и прикатодных слоев слабо зависят от типа разряда, ввиду чего их можно рассматривать в общем виде.

Основным граничным условием, определяющим параметры слоя в рассматриваемом случае, будет выступать равенство плотностей токов (потоков) положительно и отрицательно заряженных частиц (j_eСТ и j_iСТ), что означает постоянство во времени заряда на стенке, а следовательно, и постоянство потенциала ее поверхности. В простейшем случае, когда отсутствуют вторичные процессы, граничное условие принимает вид:

j_eСТ = j_iСТ.

Если принять, что размеры слоя d_СЛ существенно превышают длины свободного пути электронов _e и ионов _i (т. е. слой считаем беcстолкновительным), то в слое не будет размножения частиц и плотность тока ионов на стенке будет соответствовать эмиссионным плотностям токов ионов, получаемых из плазмы. Ввиду того что электроны более подвижны, чем ионы, а их ток из плазмы существенно превышает ток ионов в слое, должно существовать поле, которое будет тормозить электроны, чтобы выровнять потоки ионов и электронов на стенке. С учетом бесстолкновительного характера распределения электронов в тормозящем поле граничное условие для диэлектрической стенки можно представить в виде

.

Потенциал U_СТ, до которого заряжается изолированная стенка

, .

Для оценки размера d_СТ можно использовать закон «степени 3/2», в котором распределение потенциала будет определяться объемным зарядом ионов в слое, тогда

,

где A  атомная масса плазмообразующего газа.

Возникновение слоя анодного падения напряжения обусловлено необходимостью выполнения закона непрерывности тока в ГРК, в соответствии с которым ток заряженных частиц из плазмы должен равняться анодному току, протекающему по внешней цепи.

Если приемная поверхность анода S_a достаточно велика, так что выполняется неравенство j_e0S_a > I_p, то вблизи анода формируется отрицательное анодное падение, появление которого уменьшает ток плазменных электронов на анод. При этом значение падения напряжения в прианодном слое U_a можно оценить из выражения

, откуда .

Отрицательное анодное падение напряжения будет также увеличиваться в том случае, когда на анод падают быстрые катодные электроны, не успевшие растратить свою энергию.

При учете тока ионов на анод .

Если соотношение между токами электронов из плазмы на анод и током разряда изменится на противоположное (j_e0S_a < I_p), то вблизи анода сформируется положительное анодное падение. При его появлении либо увеличивается эффективная площадь анода, либо в слое начинается размножение электронов, поступающих на границу слоя из плазмы.

4. Методы введения плазмообразующих сред в объем грк

Метод введения плазмообразующих сред в объем ГРК определяется физико-химическими свойствами исходного вещества при нормальных условиях. Как известно, при нормальных условиях исходные вещества могут находиться в газообразном, парообразном или твердом состоянии

В настоящее время существует ряд методов получения свободных атомов и молекул вещества. Известные методы можно свести к трем основным:

- методу термического испарения или сублимации;

- методу, основанному на использовании летучих соединений;

- методу распыления вещества в твердом состоянии под действием ионной бомбардировки.

Метод термического испарения металла широко используется для получения свободных атомов вещества и позволяет получить однородный химический состав газовой фазы.

Применение метода термического испарения для получения свободных атомов (молекул) возможно по двум схемам:

- испарение вещества непосредственно в объеме ГРК;

- испарение вещества в специальной печи и последующая подача пара в ГРК по паропроводу.

Эффективность метода термического испарения для получения свободных атомов определяется зависимостью давления насыщенного пара вещества от температуры. Температура испарения выбирается по давлению, необходимому для возбуждения и поддержания газового разряда в ГРК. Обычно это давление лежит в диапазоне 10^-1 – 10 Па.

Однако применение данного метода осложняется рядом обстоятельств. Прежде всего, это необходимость использования высокотемпературных испарителей при работе с тугоплавкими материалами.

Применение высокотемпературного испарителя приводит к значительным потерям энергии в результате рассеяния тепла, которые можно несколько уменьшить применением многослойных экранов. Высокие энергетические потери, помимо высоких затрат электрической мощности на нагрев испарителя, приводят к необходимости использовать высокоэффективную систему охлаждения для узлов ГРК, работающих при невысоких температурах.

Значительные тепловые потери высокотемпературной частью, приводят к особым проблемам в случае применения данного метода в ГРК использующих магнитные системы. Эти проблемы связаны с ухудшением при нагреве магнитных свойств материалов, из которых выполняются магнитопроводы и ряд электродов ГРК. Наиболее распространенным магнитным материалом, используемым при изготовлении деталей ГРК, служат сплавы железа, у которых температура Кюри лежит в диапазоне 700-900°С. Это существенно ниже температур необходимых для эффективного испарения большинства веществ. Кроме перечисленных проблем возникает ряд технологических трудностей, связанных с изготовлением высокотемпературной конструкции ГРК. Таким образом, использование метода термического испарения для получения свободных атомов вещества в рассматриваемом случае приводит к значительным трудностям, что приводит к необходимости искать другие методы.

Для получении плазмы в ГРК, возможно использование летучих соединений, которые имеют высокие значение давления насыщенных паров при комнатной температуре и, в принципе, могут быть использованы в обычных системах газообеспечения. Эти соединения могут диссоциировать в плазме разряда с образованием свободных атомов. Известен ряд соединений металлов таких как карбонилы никеля, железа, которые имеют высокие значение давления насыщенных паров при комнатной температуре и в принципе могут быть использованы в обычных источниках газовых ионов.

Ряд соединений, таких как хлорид алюминия, имеет высокое значение давления насыщенных паров при допустимых рабочих температурах ГРК. Наконец, некоторые материалы, как, например, титан и вольфрам имеют так называемый йодный цикл, при осуществлении которого свободный йод взаимодействует с металлом, нагретым до сравнительно невысокой температуры (порядка 200°С) с образованием летучего соединения, диссоциирующего в плазме разряда на атомарный металл и свободный йод. Но при применении химических методов также возникает ряд трудностей. Прежде всего, это высокая токсичность соединений, например, таких как карбонилы. Продукты диссоциации или сами соединения, как правило, являются активными веществами, что сказывается на ресурсе работы ГРК и вакуумного оборудования в целом. Кроме того, извлекаемый ионный пучок содержит ионы большого количества посторонних сопутствующих соединений. Это может потребовать применения масс-сепаратора с высоким разрешением, так как в извлекаемом пучке могут быть ионы химических соединений близких по массе к используемым ионам. По этим причинам использование химических методов не всегда желательно.

Весьма удобным методом получения свободных атомов или молекул вещества является метод распыления под действием ионной бомбардировки. По литературным данным, при сравнительно невысоких энергиях ионов порядка 500-600 эВ коэффициент распыления ионами тяжелых инертных газов Ar+, Xe+, большинства металлов близок или равен 1. Это позволяет реализовать достаточно эффективные режимы распыления мишени, не связанные с сильным ее разогревом, и делает метод достаточно универсальным. Использование в качестве рабочего вещества инертного газа не приводит к химической эррозии деталей ГРК и вакуумной системы, позволяет использовать варианты конструкций ГРК, использующие накаливаемый катод. Подбором рабочего газа можно всегда добиться того, чтобы извлекаемые из ГРК ионы значительно различались по массе, что снижает требования, предъявляемые к системе масс-сепарации пучка, и позволяет использовать масс-сепараторы с невысокой разрешающей способностью.