ЖЭТФ, 2022, том 162, вып. 6 (12), стр. 1004-1017

ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКОВ ИОНОВ ТИТАНА

СУБМИЛЛИСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ С ВЫСОКОЙ

ИМПУЛЬСНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ МОЩНОСТИ

А. И. Рябчиков^a, В. П. Тараканов^b,c, О. С. Корнева^a*, Д. О. Сивин^a

^a Национальный исследовательский Томский политехнический университет

634050 Томск, Россия

^b Национальный исследовательский ядерный университет ¾МИФИ¿

115409, Москва, Россия

^c Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

125412, Москва, Россия

Поступила в редакцию 29 июня 2022 г.,

после переработки 5 июля 2022 г.

Принята к публикации 6 июля 2022 г.

Представлены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований по формиро-

ванию импульсных и импульсно-периодических высокоинтенсивных пучков ионов металлов из плазмы

вакуумной дуги. Численное моделирование выполнено с использованием кода КАРАТ. Исследовалась

баллистическая фокусировка тяжелых ионов при токах инжекции от 0.1 до 1 А. Изучено влияние плот-

ности ионного тока, ускоряющего напряжения и условий нейтрализации пространственного заряда пучка

на транспортировку и фокусировку пучка ионов высокой плотности мощности. Определены и изучены

условия возникновения виртуального анода. Установлено, что при больших длительностях формирова-

ния пучков ионов при низких давлениях остаточной атмосферы возможно многократное возникновение

и исчезновение виртуального анода. Экспериментально показана возможность баллистического форми-

рования очищенных от микрокапельной фракции пучков ионов титана субмиллисекундной длительности

с импульсной плотностью мощностью в сотни киловатт на квадратный сантиметр.

DOI: 10.31857/S0044451022120203

гревом всего образца до высоких температур, при

EDN: LFKHGX

которых наблюдается ухудшение микроструктуры

материала из-за значительного роста зерна. В рабо-

те [21] описан новый метод, нацеленный на решение

1. ВВЕДЕНИЕ

этой проблемы. Сущность метода заключается в ис-

пользовании для высокоинтенсивной имплантации

Импульсные мощные пучки заряженных частиц

пучков ионов субмиллисекундной длительности с

и плазменные потоки находят все большее приме-

плотностью мощности от десятков до нескольких со-

нение для модификации свойств различных мате-

тен киловатт на квадратный сантиметр. Импульсно-

риалов и покрытий [1-17]. Новые методы высоко-

периодическая имплантация с использованием та-

интенсивной имплантации с применением пучков

ких ионных пучков может обеспечить импульсный

ионов низкой энергии, но высокой плотности мощ-

разогрев локальной области вблизи поверхности с

ности [18-20] демонстрируют возможность ионно-

последующим быстрым отводом тепла внутрь ма-

го легирования материалов на глубинах в десят-

териала мишени. Таким образом, достигается вы-

ки микрометров при флюенсах ионного облучения

сокая температура в ионно-легируемом слое и од-

10¹⁹-10²¹ ион/см². Преимущества метода, обеспечи-

новременно исключается наличие высокой темпера-

вающего глубокое ионное легирование материалов в

туры во всем объеме облучаемого материала. Вы-

ряде перспективных применений, нивелируются на-

сокая температура и высокая плотность ионного

тока способствуют радиационно-усиленной диффу-

^* E-mail: oskar@tpu.ru

1004

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022 Формирование пучков ионов титана субмиллисекундной длительности. . .

зии имплантируемых атомов, обеспечивая ионное

первых, область формирования потока ионов из

легирование материала на глубинах, существенно

плазмы дугового разряда, с характерной особенно-

превышающих проективный пробег ионов. Эффект

стью в виде высокой плотности плазмы, во-вторых,

высокоскоростного охлаждения приповерхностного

область прохождения потока ионов сквозь сфери-

слоя будет способствовать улучшению микрострук-

ческую сетку и, в-третьих, область баллистиче-

туры ионно-легированного слоя. Высокая плотность

ской фокусировки ускоренных ионов на мишень-

ионного тока, значительная длительность импуль-

коллектор в различных условиях динамической

сов и частотный режим формирования импульсов

компенсации и декомпенсации пространственного

должен обеспечить высокую скорость набора флю-

заряда ионного пучка. Для упрощения получения

енса ионного облучения, необходимого для глубоко-

результатов первоначально отдельно рассматрива-

го ионного легирования материалов.

лась каждая из этих областей.

Настоящая статья посвящена численному мо-

Экспериментальные исследования проводились

делированию и экспериментальному исследованию

на комплексной установке для ионно-лучевой и

формирования мощных пучков ионов металлов суб-

ионно-плазменной обработки материалов [24]. Фор-

миллисекундной длительности, на примере ионов

мирование импульсных и импульсно-периодических

титана, из плазмы вакуумной дуги, с импульсной

пучков ионов титана осуществлялось с использова-

плотностью мощностью до ста киловатт на квадрат-

нием модифицированного источника ионов и плаз-

ный сантиметр.

мы ¾Радуга 5¿ [25]. Система питания импульс-

ного трансформатора была модернизирована та-

ким образом, чтобы формировать пучки ионов

2. МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО

различной длительности в диапазоне от

150

до

МОДЕЛИРОВАНИЯ И

500 мкс. Плазменный поток формировался непре-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

рывным вакуумно-дуговым разрядом с током ду-

ИССЛЕДОВАНИЯ

ги 160 А. Для очистки плазмы от микрокапельной

Для детального понимания всех процессов и по-

фракции вместо плазменного фильтра жалюзийно-

строения целостной модели был проведен комплекс

го типа была использована система ¾солнечного за-

исследований с помощью численного моделирова-

тмения¿ впервые предложенная в работе [18].

ния посредством кода КАРАТ [22, 23]. Основой ко-

Для формирования пучка ионов с высокой им-

да является решение уравнений Максвелла или, как

пульсной плотностью мощности использовалась фо-

в данном исследовании, когда можно ограничить-

кусирующая система, представляющая собой сеточ-

ся потенциальной моделью, уравнения Пуассона.

ный электрод в виде части сферы радиусом 120 мм

Плотность тока или заряда вычисляется методом

с эквипотенциальным пространством для транспор-

крупных частиц методом PiC (Particle in Cell).

тировки и фокусировки ионного пучка. В экспе-

Для разных сортов частиц используем разные сорта

риментах использовались три сеточных электрода

PiC-частиц, чтобы отследить роль ионов и электро-

с различными размерами ячеек: 0.5 × 0.5, 1 × 1 и

нов, имеющих различное происхождение. В описы-

1.4 × 1.4 мм². Дисковый электрод, препятствующий

ваемой серии расчетов масса ионов выбрана 10⁵ m,

прямому пролету микрочастиц, продуктов взрыв-

где m масса электрона. Число узлов сетки в каж-

ной электронной эмиссии, с рабочей поверхности ка-

дом направлении не меньше 100, и всегда шаг сетки

тода в область фокусировки пучка, устанавливался

значительно меньше любого характерного размера

по центру фокусирующего электрода. Экстракция

системы. Число частиц каждого сорта не меньше

ионов осуществлялась со свободной границы метал-

10-100 в каждой ячейке в важных физически об-

лической плазмы, генерируемой дуговым разрядом

ластях системы. Контролируется баланс энергии в

при потенциалах смещения анода в диапазоне от 9

системе.

до 30 кВ.

Исследовалась плазменно-иммерсионная си-

В процессе экспериментов проводились измере-

стема формирования, впервые экспериментально

ния ускоряющего напряжения, тока на сеточный

апробированная для получения баллистически-

электрод, тока ионного пучка и полного тока гене-

сфокусированных импульсно-периодических пучков

ратора импульсов напряжения. Для измерения рас-

ионов металлов с плотностью тока до 1 А/см² при

пределения плотности ионного тока по сечению фо-

амплитудах потенциала смещения до 3 кВ [18].

кусируемого ионного пучка использовались шесть

Исходя из конструкции реального устройства,

радиально установленных коллекторов площадью

при моделировании рассмотрены три области. Во-

2 × 2 мм². В процессе исследований изменялась

1005

А. И. Рябчиков, В. П. Тараканов, О. С. Корнева, Д. О. Сивин

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022

амплитуда импульсного напряжения, длительность

импульса. Импульс ионного тока пучка отличал-

ся значительной высокочастотной модуляцией. Это

затрудняло оценку реальной амплитуды тока и ее

плотности и, как следствие, достигаемой плотности

мощности в ионном пучке. В этой связи для уве-

личения точности измерения амплитуды тока ис-

пользовалось математическое сглаживание. В от-

дельных случаях применялось усреднение импуль-

сов тока и напряжения по 15-25 осциллограммам

с использованием математического аппарата осцил-

лографа LeCroy.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ

ПУЧКОВ ИОНОВ ИЗ ПЛАЗМЫ

Источником ионов в экспериментах была плаз-

ма вакуумной дуги. Моделирование выполнялось в

осесимметричном приближении в цилиндрической

rz-геометрии. С границы первой области, соответ-

ствующей границе плазмы, задавался поток ионов

с определенной плотностью тока. Одна из особен-

ностей плазмы вакуумной дуги состоит в наличии

у ионов значительной начальной энергии направ-

ленного движения. При моделировании начальная

энергия направленного движения ионов задавалась

равной 50 эВ. Одновременно с ионами запускался

поток электронов, скорость которых совпадала со

скоростью ионов. Таким образом, осуществлялась

Рис. 1. (В цвете онлайн) Расчетная область: а поле ско-

инжекция нейтрализованного по заряду потока час-

ростей ионов; б поле электронов

тиц. На рис. 1 область инжекции совпадает с ле-

вой границей z = 0. На сферический электрод пода-

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ

ется потенциал смещения отрицательной полярно-

ИОННОГО ПУЧКА СКВОЗЬ СЕТКУ

сти, который обеспечивает ускорение ионов до нуж-

ной энергии в пределах 3-30 кэВ. При подлете час-

Вторая область, с прохождением ионов сквозь

тиц к электроду электронный поток тормозится, а

сетку, моделируется в плоской xz-геометрии. Диа-

ионы ускоряются в формирующемся слое разделе-

метр круглых проволок равен 0.01 см. Искажение

ния зарядов. На рис. 1а изображены векторы ско-

формы и направления векторов скорости частиц

рости небольшой части используемых в моделирова-

связано с разными масштабами по осям x и y. Поток

нии PiC-ионов. Видно, как поток ускоренных ионов

плазмы, состоящей из ионов и электронов, направ-

проникает в эквипотенциальное пространство бал-

лен вдоль направления -x (рис. 2).

листической фокусировки через сетчатый электрод.

На рис. 2a изображены точками ионы и электро-

На рис. 1б изображены электроны, между кото-

ны. При данных параметрах электроны не продвига-

рыми и этим электродом имеется зазор, в котором

ются в область x < 1.5 см. Между сеткой и электро-

ускоряются ионы. Их энергия соответствует потен-

нами область ускорения ионов. На рис. 2б для части

циалу сетки. Первоначально проведено моделирова-

счетной области изображены только ионы. Видно,

ние влияния отдельных элементов, а в завершении

как часть ионов поглощается на проволоках, а про-

рассмотрена общая задача со всеми элементами.

шедшие ионы отклоняются электрическим полем

1006

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022 Формирование пучков ионов титана субмиллисекундной длительности. . .

электрическое поле ускоряющего зазора проникает

в пространство дрейфа ионного пучка на расстоя-

ние, сравнимое с размером ячейки. Это проникно-

вение нарушает эквипотенциальность пространства

и способствует формированию канала утечки элек-

тронов в ускоряющий зазор, влияя, таким образом,

на декомпенсацию пространственного заряда пуч-

ка. Эти процессы не моделируются в рамках данной

статьи.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ

ФОКУСИРОВКИ ПУЧКОВ ИОНОВ

Рассмотрим третью область, область фокусиров-

ки. Моделирование выполнено в осесимметричном

приближении в rz-геометрии. Нормально поверхно-

сти сферы внутрь инжектируется поток ионов. В ре-

альном эксперименте для исключения прямого про-

лета микрочастиц вещества из области вакуумной

дуги в область фокусировки ионного пучка цен-

тральная часть сетки закрыта сплошным дисковым

электродом. В моделировании этому соответствует

отсутствие инжекции ионов вблизи оси.

Данная работа имеет своей целью обеспечить на

коллекторе-мишени многократное увеличение плот-

ности мощности и энергии ионного пучка. Для до-

стижения этой цели используется сеточный элек-

трод в виде сферы радиусом r, предназначенный

Рис. 2. (В цвете онлайн) Положение электронов и ионов

для фокусировки ионов в центр сферы, где установ-

на счетной области: а) зеленые точки

макрочастицы,

лен коллектор. Это мы называем баллистической

моделирующие электроны, желтые точки ионы; б) поле

фокусировкой ионов [18].

скоростей ионов на счетной части

В моделировании в качестве первого шага иссле-

довалась транспортировка и фокусировка ионного

проволок. Возникающая величина разброса учиты-

пучка в условиях вакуума, т.е. при отсутствии ней-

вается на следующем этапе исследования. Наличие

трализации его пространственного заряда. При ин-

экстрактора ионов с сеточной структурой усложня-

жекции пучка ионов с током 0.01 А, что соответство-

ет процесс моделирования. В то же время, посколь-

вало начальной плотности тока 4 · 10^-4 А/см², ион-

ку моделируются процессы транспортировки и фо-

ный пучок неплохо фокусируется, хотя из-за дей-

кусировки пучка ионов с начальной плотностью, не

ствия пространственного заряда профиль пучка в

превышающей 10 мА/см², при ускоряющих напря-

фокальной области оказывается размытым. По оси

жениях в диапазоне от 3 до 30 кВ ширина слоя

пучка плотность ионного тока в фокусе возраста-

разделения зарядов (ускоряющий зазор) многократ-

ет до 0.035 А/см², т.е. увеличивается почти на два

но превышает характерный размер ячеек сеточного

порядка. Однако плотность мощности такого пучка

электрода. Это означает, что тонкая структура сет-

не превышает 2.5 кВт/см², что не обеспечивает воз-

ки оказывает незначительное влияние на траекто-

можности реализации синергии высокоинтенсивной

рии отдельных ионов. Существенное влияние сет-

имплантации ионов и одновременного его энергети-

ки связано с ее прозрачностью, от которой зави-

ческого воздействия на поверхность в соответствии

сят потери ионного пучка на элементах сеточного

с методом, предложенным в работе [21].

электрода. Значительное влияние на динамику фо-

Поэтому в целях изучения возможности дости-

кусировки и транспортировки ионного пучка может

жения более высоких плотностей мощности в ион-

оказывать размер ячеек сетки. Через ячейки сетки

ном пучке и с учетом создания различных усло-

1007

А. И. Рябчиков, В. П. Тараканов, О. С. Корнева, Д. О. Сивин

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022

вий для компенсации его пространственного заря-

да исследованы закономерности транспортировки и

фокусировки потока ионов с током инжекции 1 А,

что соответствовало начальной плотности тока око-

ло 4 · 10^-3 А/см².

Первоначально исследовалась инжекция такого

тока ионов с энергией 30 кэВ. При этих парамет-

рах в условиях вакуума, как видно на рис. 3, дей-

ствие пространственного заряда пучка приводит к

возникновению виртуального анода и срыву транс-

портировки пучка. На рис. 3а изображена геомет-

рия счетной области и векторы скорости ионов. На

рис. 3б представлено распределение потенциала. В

некоторой области амплитуда потенциала достигает

значения равного амплитуде ускоряющего потенци-

ала. Это область виртуального анода. Видно, что на

виртуальном аноде ионы рассеиваются. На рис. 3в

изображена плотность тока на коллекторе, свиде-

тельствующая, что никакой фокусировки не проис-

ходит.

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТИРОВКИ

И ФОКУСИРОВКИ ИОННОГО ПУЧКА В

УСЛОВИЯХ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ

ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА

При значениях тока, интересных для практи-

ческих приложений, как видим из последнего ва-

рианта, электрическое поле пучка ионов вызывает

их дефокусировку. Улучшению фокусировки долж-

но способствовать создание условий для частич-

ной или полной нейтрализации пространственного

заряда ионного пучка, что можно обеспечить до-

статочным количеством электронов внутри ионно-

го потока различными способами. Во-первых, в про-

странство дрейфа пучка может быть предваритель-

но инжектирована плазма. Во-вторых, для наработ-

ки дополнительной плазмы может быть использова-

Рис. 3. (В цвете онлайн) Результаты моделирования про-

на ионизация газа в области дрейфа ионного пучка.

цессов при инжекции ионного пучка с током 1 А, энергией

В-третьих, источником электронов может быть вто-

ионов 30 кэВ в вакуум: а векторы скоростей ионов; б

ричная эмиссия электронов при попадании ионов на

распределение потенциала в пространстве дрейфа пучка;

мишень. Дополнительные электроны могут созда-

в распределение плотности тока по сечению пучка

ваться и с помощью дополнительного термоэмит-

тера. При численном моделировании есть возмож-

ность раздельно рассмотреть влияние различных

На рис. 4а изображена динамика изменения чис-

факторов.

ла частиц, а именно, r число ионов плазмы, g

Начнем с рассмотрения влияния наличия, в на-

число электронов плазмы, y число ионов пучка. К

чальный момент, внутри дрейфовой области плазмы

100 мкс система достигла стационарного состояния,

с плотностью 3 · 10⁹ см^-3. Ионы плазмы моделиру-

в котором ионы плазмы покинули счетную область,

ются PiC-частицами сорта r, отличного от пучковых

а часть электронов (рис. 4в) оказалась захвачена в

ионов y.

потенциальное поле ионного потока (рис. 4б ). По-

1008

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022 Формирование пучков ионов титана субмиллисекундной длительности. . .

тенциал достигает 20 кВ (рис. 4г), т.е. виртуальный

анод не образуется. Плотность тока ионов на кол-

лекторе (рис. 4д) увеличилась в сравнении с преды-

дущим случаем с 12 мА/cм² до 0.2 А/cм².

В следующем варианте добавляем ионизацию га-

за, в качестве которого выбран азот плотностью

10¹² см^-3. Учитываются процессы упругого рассе-

яния электронов на нейтральных частицах и иони-

зация атомов электронами, ускоренными в поле по-

тока ионов. Используются сечения ионизации, пред-

ставленные в справочнике [26]. Возникающие ионы

сорта r дрейфуют на стенки, а возникающие элек-

троны сорта c компенсируют заряд ионов пучка сор-

та y. Также была рассмотрена ионизация ионами

пучка с сечением 5 · 10^-16 см² [27], которая не ока-

зала влияния на процесс фокусировки.

На рис. 5а представлена динамика изменения

числа разных частиц. Теперь в стационарном состо-

янии заряд ионов пучка компенсируют электроны

сорта c, а электроны начальной плазмы g ушли на

стенки. Потенциал (рис. 5в) уменьшился до 12 кВ.

Плотность тока на коллекторе изменилась незначи-

тельно (рис. 5г). Рисунки 5б и 5г демонстрируют,

что хотя и достигается достаточно высокая плот-

ность ионного тока по оси пучка, его фокусировка

еще не оптимальна.

Следующий вариант оценивает только вклад

вторичной эмиссии электронов сорта b с поверх-

ности коллектора, эмитируемых после попадания

ионов пучка y. Коэффициент вторичной эмиссии

выбран равным 1 [28]. По данным рис. 6а видно,

что система быстро выходит на стационар. Потен-

циал не больше 800 В (рис. 6в). Пучок хорошо фо-

кусируется (рис. 6б ). Плотность ионного тока пучка

на коллекторе приближается к 3 А/см² (рис. 6г).

В следующем варианте исследовано действие

всех рассматриваемых эффектов компенсации за-

ряда ионов, а именно, наличие начальной плазмы,

ионно-электронная эмиссия, ионизация нейтрально-

го газа. По данным рис. 7а видно, что система к

10 нс достигает стационарного состояния, в кото-

ром ионы пучка сорта y компенсируются вторичны-

ми электронами сорта b, а продукты ионизации газа

сортов p и c компенсируют по заряду друг друга. По-

Рис. 4. (В цвете онлайн) Влияние предварительной инжек-

тированной в пространство дрейфа плазмы с плотностью

тенциал в области фокусировки не превышает 50 В

3 · 10⁹ см^-3 на характеристики ионного пучка: а

ди-

(рис. 7в). Плотность пучка на коллекторе оказыва-

намику изменения плотности электронов (g), ионов плаз-

ется максимальной (рис. 7г) и превышает 3 А/cм².

мы (r) и ионов пучка (y); б векторы скоростей ионов

Таким образом, совместное влияние всех ре-

в пространстве дрейфа; в распределение электронов в

альных физических процессов компенсации заряда

пространстве дрейфа; г распределение потенциала; д

ионного пучка обеспечивает наибольшую плотность

распределение плотности ионного тока

тока ионов на мишени. Максимальная плотность

1009

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022 Формирование пучков ионов титана субмиллисекундной длительности. . .

мощности ионного пучка в этом случае достигает

100 кВт/см².

В реальном эксперименте учтенные физические

эффекты проявляются всегда и их невозможно от-

ключить. Перейдем к рассмотрению влияния фи-

зических параметров, которые реально меняются в

эксперименте. В первую очередь, это энергия ионов

при влете в пространство фокусировки.

Уменьшим начальную энергию с 30 до 10 кэВ.

Как следует из данных численного моделирования,

представленных на рис. 8, уменьшение энергии с

30 до 10 кэВ не приводит к качественным изме-

нениям. Ионный поток фокусируется на коллекто-

ре, виртуальный анод не возникает, и максимальная

плотность ионного тока на коллекторе превышает

3 А/см².

Уменьшение энергии ионов с 10 до 3 кэВ при-

водит к драматическому изменению процессов в си-

стеме. Представленные истории потенциала в точке

внутри пространства дрейфа и истории числа час-

тиц показывают, что система не выходит на стацио-

нар (рис 9).

В ней возникают осцилляции с периодом око-

ло 40 мкс. Характерная особенность этих колеба-

ний при выбранных параметрах состоит в том, что

в течение примерно половины периода существует

виртуальный анод. Из-за накопления электронов он

разрушается, пучок ионов доходит до коллектора и

одновременно снова начинает нарастать плотность

ионов. Виртуальный анод вновь формируется. Сле-

дующий рис. 10 соответствует времени существова-

ния виртуального анода, когда поток ионов рассе-

ивается и плотность тока ионов на коллекторе ма-

ла. На рис. 10 показаны распределения потенциала,

скоростей ионов и плотности ионного тока.

На рис. 11 приведены данные, соответствующие

отсутствию виртуального анода, когда потенциал в

области виртуального анода снижается и ионы дохо-

дят до коллектора, но их фокусировка плохая. Мак-

симальная плотность тока в пучке в этом случае не

превышает 80 мА/см².

Рис. 7. (В цвете онлайн) Моделирование совместного вли-

7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

яния инжектированной плазмы, ионизации газа и ионно-

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ

электронной эмиссии на характеристики ионного пуч-

ПУЧКОВ ИОНОВ ТИТАНА ВЫСОКОЙ

ка: а динамику изменения плотности электронов (g)

ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ

и ионов инжектированной плазмы (r), электронов (c) и

ионов плазмы ионизованного газа (p) и ионов пучка (y),

Первоначально были проведены эксперименты

эмитированных электронов (b); б

векторы скоростей

с сеточным электродом радиусом 120 мм с разме-

ионов в пространстве дрейфа; в распределение потен-

ром ячейки 0.5 × 0.5 мм² при токе непрерывного

циала; г распределение плотности ионного тока

дугового разряда 160 А. Этот ток в конкретных

1011

А. И. Рябчиков, В. П. Тараканов, О. С. Корнева, Д. О. Сивин

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022

Рис. 9. (В цвете онлайн) Моделирование совместного вли-

яния инжектированной плазмы, ионизации газа и ионно-

электронной эмиссии на характеристики ионного пучка с

энергией ионов 3 кэВ: а динамику изменения потенци-

ала в пространстве дрейфа во времени; б динамику из-

менения плотности электронов инжектированной плазмы

(g), ионов инжектированной плазмы (r), электронов плаз-

мы ионизованного газа (c), ионов плазмы ионизованного

газа (p) и ионов пучка (y), эмитированных электронов (b)

условиях эксперимента обеспечивал плазму тита-

на вблизи сеточного электрода с плотностью ион-

ного тока насыщения около 4 мА/см². Одиночные

осциллограммы импульса тока фокусируемого ион-

ного пучка демонстрируют значительную модуля-

цию амплитуды в течение всей длительности им-

пульса (рис. 12). Эта модуляция обусловлена как

закономерностями эмиссии ионов из катодного пят-

Рис. 8. (В цвете онлайн) Моделирование совместного вли-

на вакуумно-дугового разряда, впервые описанны-

яния инжектированной плазмы, ионизации газа и ионно-

ми в работе [29], так и особенностями процессов фор-

электронной эмиссии на характеристики ионного пучка с

мирования и транспортировки высокоинтенсивного

энергией ионов 10 кэВ: а динамику изменения плотности

пучка ионов.

электронов (g) и ионов (r) инжектированной плазмы, элек-

тронов (c) и ионов плазмы ионизованного газа (p) и ионов

Характерные осциллограммы импульса напря-

пучка (y), эмитированных электронов (b); б векторы ско-

жения, полного тока высоковольтного трансформа-

ростей ионов в пространстве дрейфа; в распределение

тора и плотности ионного тока в фокальной области

потенциала; г распределение плотности ионного тока

по оси пучка, усредненные по 15 импульсам, пред-

1012

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022 Формирование пучков ионов титана субмиллисекундной длительности. . .

Рис. 10. (В цвете онлайн) Распределение потенциала (а),

Рис. 11. (В цвете онлайн) Распределение потенциала (а),

скоростей ионов в пространстве дрейфа (б) и плотности

ионного тока на коллекторе (в) в момент существования

ионного тока на коллекторе (в) при отсутствии виртуаль-

виртуального анода

ного анода

ставлены на рис. 13. На усредненных осциллограм-

ние плотности тока по сечению оказывается доста-

мах значительная модуляция многократно умень-

точно узким. Ширина пучка на полувысоте не пре-

шается, что позволяет достаточно точно определять

вышает 5 мм. Дальнейшее увеличение напряжения

амплитуду импульсов.

до 16 кВ приводит к росту максимальной плотно-

Результаты исследования влияния ускоряющего

сти тока до 3.25 А/см². Заметим, что с учетом мно-

напряжения на распределение плотности ионного

гозарядового состава титановой плазмы непрерыв-

тока по сечению пучка демонстрирует рис. 14. При

ной вакуумной дуги [30, 31] средняя энергия ионов

амплитуде потенциала анода и, соответственно, по-

титана в этом случае будет около 30 кэВ, что со-

тенциала плазмы 9 кВ плотность ионного тока в

ответствует максимальной энергии, использованной

максимуме достигает около 2.75 А/см². Распределе-

при численном моделировании. При этом наблюда-

1013

А. И. Рябчиков, В. П. Тараканов, О. С. Корнева, Д. О. Сивин

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022

Такое поведение распределения плотности ион-

ного тока может быть связано с особенностями про-

цессов нейтрализации заряда ионного пучка в про-

странстве дрейфа. Первоначально при экстракции

ионов и их инжекции в пространство дрейфа эф-

фективная нейтрализация заряда пучка осуществ-

ляется за счет предварительно инжектированной

в пространство дрейфа вакуумно-дуговой плазмы.

Время нейтрализации определяется уходом ионов

плазмы из пучка. Как показали результаты чис-

ленного моделирования в рамках данной статьи,

как и при формировании высокоинтенсивных пуч-

ков ионов металлов низкой энергии [14], это вре-

мя не превышает нескольких микросекунд. На пер-

вом этапе в результате ускорения ионов их плот-

Рис. 12. Осциллограмма импульса тока, полученная при

ность в пучке на входе в пространство дрейфа почти

амплитуде ускоряющего напряжения 20 кВ

на порядок меньше плотности электронов в плазме.

Это обеспечивает хорошую степень нейтрализации

заряда пучка ионов как вблизи сеточного электро-

да, так и на значительном расстоянии в простран-

стве дрейфа при его фокусировке с пропорциональ-

ным увеличением плотности ионов. Однако после

того как вблизи сеточного электрода формируется

слой разделения заряда, в котором происходит уско-

рение ионов, поступление плазмы, обеспечивающей

поставку электронов в пространство дрейфа, пре-

кращается. Рост числа электронов в случае форми-

рования длинных импульсов, как показало числен-

ное моделирование, возможен преимущественно за

счет ионно-электронной эмиссии с элементов кон-

струкции системы формирования пучка, а также

благодаря формированию плазмы за счет иониза-

ции атомов остаточной атмосферы.

Исследования влияния длительности импульса

ускоряющего напряжения при амплитуде 22 кВ на

максимальную плотность ионного пучка не выявило

значительных особенностей. На рис. 15 представле-

ны одиночные осциллограммы импульсов тока при

Рис. 13. Осциллограммы плотности ионного тока в фо-

длительностях от 150 до 500 мкс. Можно отметить,

кальной области по оси пучка, импульса напряжения и пол-

что увеличение длительности импульсов сопровож-

ного тока высоковольтного трансформатора, усредненные

дается постепенным уменьшением амплитуды тока,

по 15 импульсам

что предположительно связано с постепенным ухуд-

шением условий нейтрализации пространственного

заряда пучка и его дефокусировкой.

ется незначительное уширение распределения плот-

ности тока по сечению пучка. Характерно, что при

Использование сеточного электрода радиусом

дальнейшем увеличении напряжения до 30 кВ до-

120 мм с размером ячейки 1 × 1 мм² повлияло

стигается плотность мощности около 100 кВт/см²,

на закономерности транспортировки и фокусиров-

хотя максимальная амплитуда тока в центре пучка

ки пучка ионов титана. При ускоряющем напря-

немного уменьшается, а ширина пучка на полувы-

жении около 16 кВ полный ток трансформатора

соте возрастает.

возрастал до 3 А.

1014

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022 Формирование пучков ионов титана субмиллисекундной длительности. . .

Рис. 14. (В цвете онлайн) Распределения плотности ион-

ного тока по сечению пучка для системы формирования с

сеточным электродом радиусом 120 мм с размером ячей-

ки 0.5 × 0.5 мм² при токе непрерывного дугового разряда

160 А при ускоряющих напряжениях в диапазоне от 9 до

30 кВ

Рис. 16. Осциллограммы плотности ионного тока на кол-

лекторах в центре пучка при амплитуде ускоряющего на-

пряжения 16 кВ

Рис. 15. (В цвете онлайн) Одиночные осциллограммы им-

пульсов тока при длительностях от 150 до 500 мкс при

амплитуде ускоряющего напряжения 22 кВ

Осциллограммы, демонстрирующие изменение

Рис. 17. Осциллограммы плотности ионного тока на кол-

плотностей токов на трех коллекторах, расположен-

лекторах в центре пучка при амплитуде ускоряющего на-

ных на расстоянии 2.5 мм друг от друга, показа-

пряжения 25 кВ

ли, что плотность тока на них оставалась примерно

одинаковой с незначительной модуляцией в течение

случае плотность тока на центральном коллекторе

импульса (рис. 16). Увеличение ускоряющего напря-

драматично уменьшается. Значительное уменьше-

жения до 25 кВ сопровождалось некоторым увели-

ние плотности тока имеет место и на втором кол-

чением модуляции, как показано на рис. 17. В этом

лекторе.

1015

А. И. Рябчиков, В. П. Тараканов, О. С. Корнева, Д. О. Сивин

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022

Такая динамика изменения распределения плот-

ственного заряда пучка на транспортировку и фо-

ности ионного тока по сечению пучка при увеличе-

кусировку пучка ионов высокой импульсной мощ-

нии ускоряющего напряжения может быть объяс-

ности. Определены и изучены условия возникнове-

нена ухудшением нейтрализации пространственного

ния виртуального анода. Установлено, что при боль-

заряда пучка. Cистема фокусировки и транспорти-

ших длительностях формирования пучков ионов

ровки пучка в исходном состоянии представляет со-

при низких давлениях остаточной атмосферы и низ-

бой эквипотенциальное пространство. Однако, как

кой энергии возможно многократное возникновение

показали представленные выше результаты числен-

и исчезновение виртуального анода.

ного моделирования, электроны плазмы, компенси-

Впервые экспериментально показано, что при-

рующие пространственный заряд ионов, могут ухо-

менение непрерывного вакуумно-дугового разря-

дить из пучка из-за их разогрева в динамически из-

да с током до 160 А в сочетании с аксиально-

меняющихся электрических полях пучка.

симметричной фокусирующей системой в виде се-

Важно отметить еще один канал ухода электро-

точного электрода обеспечивает возможность фор-

нов из пучка. Наличие сеточного электрода наруша-

мирования пучка ионов титана с плотностью мощ-

ет условие эквипотенциальности пространства дрей-

ности, приближающейся к 100 кВт/см², с субмилли-

фа и открывает возможность ухода электронов в

секундной длительностью импульса. Показана воз-

ускоряющий зазор. Электрическое поле ускоряю-

можность генерации импульсных пучков ионов вы-

щего зазора проникает в пространство дрейфа че-

сокой плотности мощности с длительностью в диа-

рез ячейки сетки и осуществляет экстракцию элек-

пазоне от 150 до 500 мкс. Установлено, что размеры

тронов, ухудшая тем самым нейтрализацию про-

ячеек фокусирующего электрода существенно влия-

странственного заряда пучка. Увеличение амплиту-

ют на динамику нейтрализации пространственного

ды ускоряющего напряжения может сопровождать-

заряда ионного пучка и, как следствие, на его фоку-

ся интенсификацией ухода электронов из простран-

сировку и транспортировку. Показано, что при опре-

ства дрейфа, что должно привести к ухудшению

деленных условиях распределение плотности ион-

условий фокусировки ионного пучка.

ного тока по сечению пучка трансформируется и

Аналогичная закономерность формирования вы-

сплошной пучок становится полым.

сокоинтенсивного пучка ионов наблюдалась с сеточ-

Финансирование. Исследование выполнено за

ным электродом радиусом 65 мм с размером ячейки

счет гранта Российского научного фонда № 22-19-

1.4×1.4 мм². При ускоряющем напряжении 5 кВ им-

00051, https://rscf.ru/project/22-19-00051/

пульсы тока на коллекторах имели максимум плот-

ности тока в центре с амплитудой до 0.7 А/см².

ЛИТЕРАТУРА

При увеличении амплитуды ускоряющего напряже-

ния до 25 кВ плотность ионного тока уменьшалась

1. J.M. Poate, G. Foti, and D. C. Jacobson, Surface

почти до нуля, а на втором и третьем коллекторах

Modification and Alloying by Laser, Ion, and Electron

от оси пучка осциллограммы показывали плотности

Beams, Springer, Berlin (2013).

тока до 0.25 А/см² с периодической модуляцией до

2. D. Wang Y. Yang, T. Guoet et al., Sol. Energy 213,

нуля в течение всей длительности импульса.

118 (2021).

3. J.Huang, Optik 226, 165437 (2021).

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

4. Y. Li, Y. Wu, W. Wang et al., Surf. Coat. Technol.

405, 126567 (2021).

Численное моделирование в потенциальном при-

ближении формирования пучков тяжелых ионов ме-

5. A. I. Ryabchikov, V.S. Skuridin, E.V. Nesterov et al.,

таллов из плазмы вакуумной дуги с плотностью

Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 213, 364 (2004).

мощности до 100 кВт/см² выполнено посредством

6. V. A. Shulov, A. G. Paikin, D. A. Teryaev et al.,

кода КАРАТ. Промоделированы формирование по-

Inorganic Mater., Appl. Res. 4, 189 (2013).

тока ионов из плазмы, прохождение его сквозь

7. Б. А. Коваль, Г. А. Месяц, Г. Е. Озур и др., в сб.

потенциальную металлическую сетку. Исследована

Сильноточные импульсные электронные пучки в

баллистическая фокусировка ионов при начальной

технологии, Наука, Новосибирск (1983), с. 26.

плотности тока до 4 мА/см². Изучено влияние ве-

личины ионного тока от 0.1 до 1 А, энергии ионов

8. G. E. Ozur and D. I. Proskurovsky, Plasma Phys.

от 3 до 30 кэВ и условий нейтрализации простран-

Rep. 44, 18 (2018).

1016

ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022 Формирование пучков ионов титана субмиллисекундной длительности. . .

9. M. Vorobyov, A. Teresov, P. Moskvin et al., J. Phys.:

20. N.N. Koval, A.I. Ryabchikov, D.O. Sivin et al., Surf.

Conf. Ser. 1393, 012141 (2019).

Coat.Technol. 340, 152 (2018).

10. M. Kaikanov, A. Kozlovskiy, A. Abduvalov et al., J.

21. A.I. Ryabchikov, IEEE Trans. Plasma Sci. 49, 2529

Mater. Sci., Mater. Electron. 30, 15724 (2019).

(2021).

22. V. P. Tarakanov, User’s Manual for Code KARAT,

11. X. Kuang, L. Li, L. Wang et al., Surf. Coatings

Berkley Research Associates, Springfield, VA (1992).

Technol. 374, 72 (2019).

23. В. П. Тараканов, в сб. Математическое модели-

12. A. I. Ryabchikov, S. V. Dektyarev, O. S. Korneva

рование. Проблемы и результаты, Наука, Москва

et al., Proc. 7th Int. Congr. Energy Fluxes. Radiat.

(2003), с. 456.

Effects, EFRE (2020), 9242058.

24. A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov et

13. D. J. Rej, H. A. Davis, and J. C. Olson, J. Vac. Sci.

al., Vacuum 78, 445 (2005).

Technol. A 15, 1089 (1997).

25. A.I. Ryabchikov, I.B. Stepanov, S.V. Dektjarev et al.,

14. V. A. Shulov, N. Nochovnaya, G. Remnev et al., Surf.

Rev. Sci. Instrum. 69, 893 (1998).

Coat. Technol. 99, 74 (1998).

26. А.П. Бабичев, Физические величины. Справочник,

15. A. N. Bandura, O. V. Byrka, V. V. Chebotarev et al.,

Энергоатомиздат, Москва (1991).

Intern. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 5, 2 (2011).

27. В.Ю. Баранов, Изотопы: свойства, получение,

16. I. E. Garkusha, O.V.Byrkaa, V.V.Chebotarevet et al.,

применение, ИздАТ, Москва (2000).

Vacuum 58, 195201 (2000).

28. Н. Н. Петров, Физическая энциклопедия, Совет-

ская энциклопедия, Москва (1990).

17. V. V. Uglov, N. N. Cherenda, V. M. Anishchik et al.,

Vacuum 81, 1341 (2007).

29. А.А. Плютто, В.Н. Рыжков, ЖЭТФ 47, 494 (1964).

18. A.I. Ryabchikov, P.S. Ananin, S.V. Dektyarev et al.,

30. И.И. Аксенов, В.Г. Падалка, В.М. Хороших, ТВТ

Vacuum 143, 447 (2017).

21, 219 (1983).

19. А.И. Рябчиков, А.Э. Шевелев, П.С. Ананьин и др.,

31. J. Kutzner and H.G. Miller, J. Phys. D 25, 686

ЖТФ 88, 1564 (2018).

(1992).

1017

ЖЭТФ, вып. 6 (12)