РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Схема экспериментальной установки, на которой проводились исследования, представлена на рис.2.1.
Во всех экспериментах остаточное давление в вакуумной камере было меньше 2(10-5 мм рт. ст. Необходимая степень вакуума в рабочей камере достигалась с помощью двух последовательно соединенных насосов: форвакуумного насоса НВЗ-20 с быстротой откачки 20 л/с и высоковакуумного насоса ВА-8-4 с быстротой откачки 2500 л/с.
2.1 Ионный источник
Для получения широкоапертурного слабо расходящегося ионного пучка применялся двухкамерный импульсно-периодический вакуумно-дуговой ионный источник типа MEVVA (Metal Vapour Vacuum Arc) с сетчатым анодом и трехэлектродной многоапертурной ионно-оптической системой [96].
Схема источника ионов приведена на рис.2.2. В этом источнике с помощью поджигающего электрода и системы поджига в парах материала катода поджигается вакуумная дуга с током до 200 А. В экспериментах использовались катоды из Cu и С. Камера ионного источника находится под потенциалом анода и имеет диаметр 87 см. Цилиндрический катод диаметром 1 см располагался на оси камеры. Поджигающий кольцевой электрод соосен с катодом и отделен от него тонким слоем изолятора. От боковой стенки катод отделен кварцевым изолятором и дуга может гореть только в направлении анода. Плазма дугового разряда через сетчатое отверстие в аноде проникает во вторую камеру источника, откуда с помощью трехэлектродной ускоряюще-замедляющей многоапертурной ионно-оптической системы, на промежуточный электрод которой подается отрицательный потенциал до 3 кВ, извлекается импульсно-периодический ионный пучок.
Сформированный ионный пучок имеет диаметр ?56 мм, длительность 100 мкс, частоту следования импульсов 1 Гц. Ток ионного пучка мог достигать 800 мА, а энергия пучка варьировалась до 20 кэВ. В экспериментах использовалась трехэлектродная оптимизированная ионно-оптическая система с 84-мя отдельными профилированными цилиндрическими ячейками ?4 мм, размещенными внутри окружности ?5,6 см.
Ионный источник обеспечивал получение сравнительно малошумящего ионного пучка с достаточно однородным радиальным профилем плотности тока. Импульсно-периодический пучок, извлекаемый из ионного источника, после прохождения ПЛ попадал на секционированный коллектор.
Для импульсно-периодического питания электродов ионно-оптической системы использовался импульсный высоковольтный модулятор, состоящий из зарядного устройства на основе выпрямительной установки ВС-50-50, искусственной LC-линии, импульсного повышающего трансформатора, устройств перемагничивания и коммутирующего тиратрона. Импульсный высоковольтный модулятор обеспечивал получение импульса высокого напряжения до 30 кВ, током до 50 А и длительностью 100 мкс.
Для получения вакуумной дуги использовался импульсный высоковольтный модулятор, обеспечивающий импульс напряжением до 800 В, током до 300 А и длительностью 150 мкс.
2.2 Плазменная линза
Использовавшаяся в экспериментах электростатическая ПЛ представляет собой модифицированную конфигурацию ловушки Пеннинга с неоднородным радиальным распределением аксиальной составляющей напряженности магнитного поля. Фокус ПЛ находится в области, где действием электромагнитного поля линзы на ионный пучок можно пренебречь. Следовательно, ПЛ можно считать короткой. В экспериментах применялась девятиэлектродная аксиально-симметричная ПЛ апертурой ?=70 мм и общей длиной L=120 мм (рис.2.3.). Каждый электрод ПЛ представляет собой кольцо с шириной вдоль оси 12 мм. Средняя плоскость ПЛ находилась на расстоянии 34 см от ионного источника.
Ранее, в работах [46, 49] исследовалось управление с помощью ПЛ интенсивными пучками ионов водорода. Была установлена зависимость происходящих в линзе статических и динамических процессов от силы тока ионного пучка. В частности, был зафиксирован ток утечки электронов из плазменной среды линзы на ее средние электроды, по своей величине на порядок меньший тока ионного пучка.
При переходе к использованию пучков ионов более тяжелых химических элементов (Cu) оказалось, что из плазменной среды линзы на ее электроды поступают гораздо большие электронные токи, по своей величине на порядок превосходящие токи утечки электронов, фиксировавшиеся ранее при работе с пучками ионов водорода. Увеличение тока утечки электронов объясняется повышенным коэффициентом ионно-электронной эмиссии. Вследствие этого, при использовании в цепи питания электродов линзы простого омического делителя напряжения происходит подсадка подаваемых на электроды ПЛ потенциалов и резкое снижение оптической силы линзы, особенно при больших токах фокусируемого интенсивного ионного пучка, что подчас не позволяло проводить исследования.
Во избежание этого в экспериментах, проводившихся при выполнении данной диссертационной работы, в цепь питания электродов линзы был включен RC-делитель напряжения общим сопротивлением 80 кОм с шагом 4 кОм, позволивший на протяжении всего времени прохождения ионного пучка жестко фиксировать потенциалы на электродах линзы. При этом появляется возможность задавать необходимое распределение электрического потенциала в объеме линзы и, в частности, минимизировать сферические аберрации линзы.
Так, на рис.2.4 показаны потенциалы на электродах ПЛ при прохождении сквозь нее ионного пучка для случаев R- и RC-делителей. В условиях жесткой фиксации потенциалов на электродах ПЛ с помощью RC-делителя появилась возможность сравнения получаемых экспериментальных результатов с теоретическими основами статической плазмооптики.
Схема подключения электродов ПЛ приведена на рис. 2.5. На центральный электрод линзы подавался наивысший стационарный потенциал UL+4,7 кВ. Остальные электроды линзы соединялись попарно, симметрично относительно центрального электрода. Все электроды подключались к соответствующим точкам питающего RC-делителя напряжения. Пара крайних электродов была заземлена.
В ПЛ силовые линии магнитного поля