Основные научные направления и области интересов.

В лаборатории пучков частиц проводятся экспериментальные и теоретические исследования эмиссионных свойств газоразрядной плазмы с целью создания плазменных источников заряженных частиц. Это научное направление находится на стыке физики газовых разрядов низкого давления, физики низкотемпературной плазмы и физики пучков заряженных частиц. Предметом изучения являются ионно- и электронно-эмиссионные свойства плазмы, генерируемой в газовых разрядах низкого давления, а также особенности формирования пучков заряженных частиц в условиях, когда эмиттером является подвижная граница плазмы, а размер пристеночного слоя пространственного заряда сопоставим с размером апертуры оптики. Необходимость комплексного изучения этих процессов связана как с влиянием характеристик плазмы на параметры формируемых пучков, так и с возможностью существенного обратного влияния отбора частиц на устойчивость газового разряда и характеристики генерируемой в нем плазмы.

Использование разрядов низкого давления обусловлено необходимостью обеспечения высокой электрической прочности ускоряющего промежутка. Наиболее низкое рабочее давление газа достигается в несамостоятельном разряде с накаливаемым катодом, однако в условиях несовершенного технического вакуума надежность технологических устройств на его основе оказывается невысокой, особенно при частых разгерметизациях камеры обработки, повышенном газоотделении обрабатываемых материалов, а также использовании химически активных газов. В связи с этим в лаборатории пучков частиц проводятся исследования газоразрядных систем с холодным катодом на основе тлеющих разрядов с осциллирующими электронами.

Поддержание сильноточного (I > 1А) режима горения тлеющего разряда низкого давления при невысоких (U < 1кВ) напряжениях становится возможным при создании в газоразрядной системе электростатической или магнитной ловушек для быстрых электронов. В результате оcцилляций в магнитном поле или в электростатической потенциальной яме электроны проходят путь, существенно превышающий размеры газоразрядной камеры, и могут эффективно ионизовать газ даже при низких давлениях, обеспечивая тем самым выполнение условия самостоятельности разряда. Для устойчивого функционирования сильноточной формы разряда необходимо обеспечить не только эффективную ионизацию, но также и замыкание электронного тока на анод без образования прианодного слоя отрицательного заряда. В результате проведенных в лаборатории экспериментальных и теоретических исследований выявлены условия реализации сильноточной формы для различных видов разряда с осцилляцией электронов, таких как разряд с полым катодом, разряд в системе типа обращенный магнетрон, пеннинговский разряд, а также в других системах.

Развитие ионных и электронных технологий обусловливает интерес к получению пучков с большим поперечным сечением, обеспечивающих высокоинтенсивное ионное облучение поверхностей больших размеров, чем достигается высокая производительность процесса обработки. Для наиболее эффективного использования пучков большого сечения необходимо, чтобы распределение плотности тока в поперечном сечении пучка было равномерным, что обеспечивается генерацией однородной плазмы в газоразрядной системе источника и оптимизацией условий формирования пучка. Разработаны методы, позволяющие эффективно управлять пространственным распределением ионизационных процессов в плазме и, соответственно, распределением ее плотности с помощью магнитных и электрических полей.

Характеристики разряда в плазменных источниках заряженных частиц могут существенно измениться при отборе части заряженных частиц в ускоряющий промежуток системы формирования пучка. Извлечение ионов из плазмы и, соответственно, уменьшение ионного тока на катоде уменьшает ток электронной эмиссии катода и затрудняет поддержание разряда, а отбор быстрых электронов уменьшает частоту ионизаций в объеме разрядного промежутка. В результате проведенных исследований установлено, что существует некоторый оптимальный уровень извлечения ионов, при котором энергетическая эффективность ионного источника на основе тлеющего разряда достигает максимального значения. Показано, что высокоэффективная эмиссия электронов из разрядов с осцилляцией электронов в магнитном поле без существенного ослабления интенсивности ионизационных процессов также возможна благодаря различному характеру пространственных распределений медленных плазменных и быстрых ионизующих электронов в этих разрядах.

Отбор заряженных частиц из тлеющего разряда через отверстия в катоде газоразрядной системы имеет особенности, обусловленные влиянием прикатодного ионного слоя, протяженность которого может быть сравнима с размерами эмиссионного отверстия. В этом случае положение и форма плазменной границы, а следовательно, и ток ионов, извлекаемых из плазмы в ускоряющий промежуток, а также угловая расходимость пучков, формируемых в отдельных апертурах ионной оптики, оказываются зависящими не только от напряженности ускоряющего поля, геометрии и размера электродов ионной оптики, но и от параметров ионного слоя. В результате проведенных исследований созданы ускоряющие системы, позволяющие формировать как высокоэнергетичные, так и низкоэнергетичные ионные пучки с высокой плотностью тока.

Наряду с пучками большого сечения для прикладных применений представляют интерес ленточные пучки значительной протяженности. Для получения ленточных пучков с высокой плотностью тока разработаны эффективные плазменные эмиттеры ленточной формы, условия формирования которых отличаются от ранее рассмотренных тем, что в этом случае не требуется создавать однородное трехмерное плазменное образование. Разработаны методы, обеспечивающие повышенную плотность плазмы вблизи эмиссионной щели и ее равномерное распределение вдоль оси эмиттера, основанные на использовании разрядов с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле. Относительно высокое напряжение горения тлеющего разряда при пониженных давлениях газа (~ 2 - 4 х 10^-2 Па) приводит к тому, что энергетическая эффективность ионных источников такого типа, определяемая отношением тока пучка к потребляемой в разряде мощности, оказывается значительно ниже, чем в системах с накаливаемым катодом. В лаборатории ведутся исследования, направленные на увеличение эффективности извлечения ионов из плазмы a, которая определяется отношением тока извлеченных из плазмы ионов к току разряда. При равномерном распределении тока по поверхности катода величина a может быть увеличена сокращением отношения полной площади рабочей поверхности катода к площади эмитирующей поверхности плазмы. Использование пеннинговской электродной системы позволило реализовать такую возможность и получить значенияa ~ 30%, однако необходимость использования магнитных полей ~ 0,01 Тл для удержания быстрых электронов обусловливает значительную радиальную неоднородность распределения плотности плазмы в такой системе. Близкое к равномерному распределение плотности ионного тока по поверхности эмиттерного катода пенинговской системы было достигнуто использованием неэквипотенциального отражательного катода.

В системах магнетронного типа, состоящих из полого катода и расположенного на его оси стержневого анода, также удалось повысить эффективность извлечения до 15 - 20% изменением формы полого катода с цилиндрической на коническую. Эффект обусловлен как сокращением общей площади рабочей поверхности катода, так и изменением характера осцилляций быстрых электронов в системе. Радиальное распределение плотности ионного тока в плоскости основания конического катода в такой системе равномерно при индукции магнитного поля 2 - 3 мТл.

Ионная бомбардировка катода в тлеющем разряде приводит к его распылению, что может приводить к загрязнению плазмы и пучка газовых ионов и ограничивать срок непрерывной работы источника ионов. В проведенных нами исследованиях было показано, что содержание металлических ионов в пучке зависит от многих факторов, в частности от величины тока разряда, рода газа, температуры катода, и может составлять от 0,1 до 10%. Высокая скорость распыления катода имеет место при использовании тяжелых инертных газов, тогда как при горении разряда в азоте в результате изменения химического состава поверхности катода скорость распыления металла резко сокращается. В этом случае при смене газа в пучке может обнаруживаться присутствие ионов азота, концентрация которых (до ~ 20%) и скорость ее уменьшения зависят от толщины приповерхностного слоя с измененным составом, концентрации в нем азота и плотности тока разряда на катоде.

В кооперации со специалистами в областях физики взаимодействия излучений с веществом и физики и технологии материалов лаборатория проводит исследования, посвященные направленному изменению различных свойств разнообразных материалов ионным облучением. В результате таких исследований, проведенных в сотрудничестве с Уральским заводом гражданской авиации (г. Екатеринбург) усовершенствована и внедрена в производство технология нанесения износостойких покрытий на лопатки компрессора газотурбинного двигателя. Имплантация ионов азота используется в наших исследованиях и разработках для повышения срока службы металлорежущего, штампового и деревообрабатывающего инструмента, а также для повышения коррозионной стойкости элементов конструкций и деталей машин.