Charging processes of metal macroparticles in the low-temperature plasma at presence of high-energy electron beam

The dependences of potential of macroparticle from the parameters and characteristics of plasma-beam system are studied. The modeling of charging processes of the macroparticles in approach of ions and electrons orbit motion limited theory made. The effect of electron emission from macroparticle has been investigated taking into account the space charge on potential of macroparticle.Вивчено залежність потенціалу макрочастинки в пучково-плазмовій системі від її параметрів та характеристик макрочастинки. Моделювання процесу зарядки проводилося в наближенні орбітальної моделі руху іонів й електронів плазми, а також електронів пучка. Досліджено вплив електронної емісії з мікрочасток, розігрітих до високих температур, на величину потенціалу з урахуванням обмеження емісійного електронного струму власним об'ємним зарядом.Изучена зависимость потенциала макрочастицы в пучково-плазменной системе от ее параметров и характеристик макрочастицы. Моделирование процесса зарядки проводилось в приближении орбитальной модели движения ионов и электронов плазмы, а также электронов пучка. Исследовано влияние электронной эмиссии с макрочастиц, разогретых до высоких температур, на величину потенциала c учетом ограничения эмиссионного электронного тока собственным объемным зарядом

Particle charging in beam-plasma systems

The particle charging in an electron beam-plasma discharge is studied by means of the classical orbit motion limited approximation and on the basis of a discrete charging model. The particle charge fluctuations due to the stochastic nature of charging process are considered. The Fokker-Planck description of the particle charging has been presented. An analytical expression for the charge distribution function has been derived taking into account the processes of the collection of plasma electrons and ions by the dust grain and secondary electron emission from it.В рамках классического приближения ограниченного орбитального движения и на основе дискретной модели изучается зарядка частиц в пучково-плазменных разрядах. Рассматриваются флуктуации заряда частиц, связанных со случайностью процесса зарядки. Представлено описание Фоккера-Планка зарядки частиц. Выведено аналитическое выражение для функции распределения заряда с учетом процессов поглощения электронов и ионов плазмы пылевой частицей и с учетом вторичной электронной эмиссии.У рамках класичного наближення обмеженого орбітального руху та на підставі дискретної моделі вивчається зарядження частинок у пучково-плазмових системах. Розглянуто флуктуації зарядження частинок, пов’язаних з випадковістю процесу зарядження. Представлено опис Фоккера-Планка зарядження частинок. Отримано аналітичний вираз для функції розподілу заряду, з урахуванням процесів поглинання електронів та іонів плазми пиловою частинкою та з урахуванням вторинної електронної емісії

Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge

A new solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge is described. The ions of working gas are used to bombard and sputter a cylindrical target made of metal or dielectric material. The sputtered atoms can be ionized and extracted by an ion optical accelerating system. Tests have shown that the ion source can operate stably for a long time that is principally defined by the target consumption. The mixed beam consisting of various solid ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) and ions of working gas can be obtained.Представлено новий прискорювач твердотільних іонів на базі магнетронного розпилюючого розряду. В такому іонному джерелі іони робочого газу використовуються для бомбардування і розпилювання матеріалів, які використовуються як циліндрична мішень. Розпилені атоми іонізуються й екстрагуються іонно-оптичною прискорюючою системою. Випробування показали, що іонний прискорювач може стабільно працювати протягом довгого часу без аніяких проблем і потребує лише заміни розпилюваної мішені. Отримані пучки різноманітних твердотільних іонів (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) змішаних з іонами робочого газу.Представлен новый ускоритель твердотельных ионов на базе магнетронного распылительного разряда. В таком ионном источнике ионы рабочего газа используются для бомбардировки и распыления цилиндрической мишени, сделанной из металла или диэлектрического материала. Распыленные атомы могут быть ионизированы и извлечены ионно-оптической ускоряющей системой. Испытания показали, что ионный источник может устойчиво работать в течение длительного времени, которое преимущественно определяется расходом мишени. Получены смешанные ионные пучки, состоящие из различных твердотельных ионов (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) и ионов рабочего газа

Increasing of mass transfer efficiency at magnetron deposition of metal coating

The results of technological tests of longitudinal planar magnetron sputtering system (MSS) with a magnetically isolated anode working in pulse-modes with additional pulse heavy-current high-voltage supply source are presented. It is shown that efficiency of mass transfer in the pulse mode overcoating increases by three orders of magnitude as compared to stationary mode of magnetron discharge. Hereat there is no droplet phase at the copper coating that is typical for an arc evaporation of a cathode.Представлены результаты технологических испытаний продольной планарной магнетронной распылительной системы с магнитоизолированным анодом в импульсных режимах работы с дополнительным импульсным сильноточным высоковольтным источником питания. Показано, что эффективность массопереноса при импульсном нанесении покрытий возрастает на три порядка по сравнению со стационарным режимом горения магнетронного разряда. При этом в нанесенном медном покрытии капельной фазы, характерной для дугового испарения катода, не наблюдалось.Представлено результати технологічних випробувань поздовжньої планарної магнетронної розпилювальної системи з магнітоізольованим анодом в імпульсних режимах роботи з додатковим імпульсним сильнострумовим високовольтним джерелом живлення. Показано, що ефективність масопереносу при імпульсному нанесенні покриттів зростає на три порядки в порівнянні зі стаціонарним режимом горіння магнетронного розряду. При цьому в нанесеному мідному покритті краплинної фази, характерної для дугового випаровування катода, не спостерігалося

Capture and transport of macroparticles in curved plasma duct at low magnetic field in the presence of an electron beam

The possibility of the macroparticles transport through a magnetic separator due to their capture by the electric field generated inside the duct becomes possible. The conditions are obtained under which transport of the macroparticles by the negative space charge is investigated. It is shown that if there is a space charge in the plasma duct then the interaction of positively charged macroparticles and the negative space charge takes place and as a result, capturing of the macroparticle through the magnetic separator takes place.Изучена возможность транспортировки макрочастиц (МЧ) через магнитный сепаратор в результате их захвата электрическим полем, созданным отрицательным пространственным зарядом. Показано, что при условии существования пространственного заряда в плазмоводе происходит взаимодействие положительно заряженной МЧ и отрицательного пространственного заряда, в результате чего возможно удержание МЧ внутри плазмовода. Определены условия, при которых происходит траспортировка МЧ через сепаратор.Досліджено можливість транспортування макрочастинок (МЧ) крізь магнітний сепаратор у результаті їх захоплення електричним полем, що створюється від’ємним просторовим зарядом. Показано, що за умови існування просторового заряду в плазмоводі відбувається взаємодія позитивно зарядженої МЧ та негативного просторового заряду, внаслідок чого стає можливим утримання МЧ всередині плазмовода. Здобуто умови, за яких відбувається транспортування МЧ крізь магнітний сепаратор

High-current pulsed operation modes of the planar MSS with magnetically insulated anode without transition to the arc discharge

In this work, the characteristics of high-current operation modes of planar magnetron sputtering system with magnetically insulated anode without going to the arc discharge mode is investigated. The possibility of using an additional spatially modulated magnetic field in the anode region to prevent a transition from the magnetron to the arc is shown experimentally. It is shown that the use of such a magnetic field configuration provides efficient interruption of the arc current without external forced shutdown of the discharge.Исследованы особенности сильноточных режимов работы планарной магнетронной распылительной системы с магнитоизолированным анодом без перехода разряда в дуговой режим. Экспериментально показана возможность использования пространственно-модулированного дополнительного магнитного поля в прианодной области для предотвращения перехода режима работы из магнетронного в дуговой. Показано, что использование такой конфигурации магнитного поля обеспечивает эффективное прерывание дугового тока без принудительного внешнего выключения магнетронного разряда.Досліджені особливості сильнострумових режимів роботи планарної магнетронної розпилювальної системи з магнітоізольованим анодом без переходу розряду в дуговий режим. Експериментально показана можливість використання просторово-модульованого допоміжного магнітного поля в прианодній області для запобігання переходу режиму роботи з магнетронного в дуговий. Показано, що використання такої конфігурації магнітного поля забезпечує ефективне переривання дугового струму без примусового зовнішнього вимикання магнетронного розряду

Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing

This paper describes the intrinsic capability of ion systems with reversed magnetic beam focusing for impurities mass-separation. Numerical calculation of the ion trajectory deviation with taking into account the experimental ion energy distribution function for hydrogen-oxygen gas mixture was carried out. It is demonstrated that O⁺ impurities which are present in the beam are separated and form the circle with a diameter of ≈6 mm. Therefore, the central part of the spot is free of impurities due to magnetic separation. As a result, the source generates steady-state hydrogen ion beam, which irradiates the surface with high heat and particle fluxes, which approach the upper limit for the flux range expected in a fusion reactor.Исследованы особенности масс-сепарации примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной магнитной фокусировкой пучка. Численно рассчитаны отклонения траекторий ионов с учетом экспериментально измеренной функции распределения энергии ионов для водородно-кислородной газовой смеси. Показано, что примеси О⁺ в пучке сепарируются и формируют кольцо диаметром ≈ 6 мм. Таким образом, центральная часть пучка чиста от примесей вследствие магнитной сепарации. В результате источник генерирует стационарные мощные потоки тепла и ионов водорода, которые близки по своим параметрам к потокам, ожидаемым на материалы стенки термоядерного реактора.Досліджено можливість мас-сепарації домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним фокусуванням пучка. Чисельно розраховано відхилення траєкторій іонів з урахуванням експериментально зміненої функції розподілу енергії іонів для воднево-кисневої газової суміші. Показано, що домішки О⁺ в пучку сепаруються та формують кільце діаметром ≈ 6 мм. Таким чином, центральна частина пучка є чистою від домішок унаслідок магнітної сепарації. В результаті джерело генерує стаціонарні потужні потоки тепла і іонів водню, які близькі за своїми параметрами до потоків, очікуваних на матеріали стінки термоядерного реактора

Control of planar magnetron sputtering system operating modes by additional anode magnetic field

The control of planar magnetron sputtering system operating modes by additional anode magnetic field was investigated. It was shown that additional anode magnetic field substantially affects to planar magnetron-sputtering system (MSS) balancing and allows adjusting the electron fluxes intensity to the operating surface. It was experimentally shown that the magnetic field intensity increasing stabilizes the low-current discharge. The magnetic field intensity increasing prevents the discharge extinction by the ignition of semi-self-maintained magnetron-type discharge in transverse anode magnetic field

TiN coating etching from a surface of the instrument in beam-plasma system

The results of reactive ion-plasma etching of TiN coatings from a surface of the tool in a beam-plasma system are submitted. The researches were made on the industrial set-up of a type «the Plasma boiler» with a magnetic field of the plug configuration. The electron guns on the basis of magnetron discharge injected from magnetic plug in a magnetic trap volume oncoming electron beams with a current density up to 2 A/cm², energy 350÷550eV. At pressure 1.10⁻³ ÷ 5.10⁻³ Torr in a magnetic trap the beam-plasma discharge was fired from which one crosswise magnetic fields an ion flow on items was extracted. As working gases the mixture Ar and CF₄ were used. The given beam-plasma system allowed selectively to remove from a surface of the tools TiN coating at speed of etching 1÷2 µm/h on the area of 12000cm²

Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma

Peculiarities of the keV-energy charge-compensated ion beam interaction with dusty plasma macroparticles are studied theoretically in this paper. Negative potential of the dusty plasma macroparticles makes conditions for their capture into the core of ion beam and their efficient interaction with beam ions. Heat and mass balances of the macroparticles in ion-beam system are considered. It is shown that it takes several milliseconds for the temperature of macroparticles to reach the boiling temperature under the intensive keV ion beam bombardment. Decreasing of the macroparticles mass is associated with both sputtering by the ion beam and evaporating after reaching the boiling temperature.Теоретически исследованы особенности взаимодействия компенсированного по заряду ионного пучка средних энергий с макрочастицами пылевой плазмы. Отрицательный потенциал макрочастиц создает условия для захвата пылевых частиц в остов ионного пучка, который обычно имеет положительный потенциал, и эффективного взаимодействия с ионным пучком. Рассмотрены тепловой и массовый балансы макрочастиц в ионно-плазменной системе. Показано, что при облучении пылевой плазмы интенсивными пучками ионов средних энергий за времена порядка десятка миллисекунд температура макрочастиц достигает температуры кипения. Уменьшение массы макрочастиц связано как с распылением ионным пучком, так и с испарением после достижения температуры кипения.Теоретично досліджено особливості взаємодії компенсованого за зарядом іонного пучка середніх енергій з макрочастинками пилової плазми. Від’ємний потенціал макрочастинок створює умови для захоплення пилових частинок до остову іонного пучка, який зазвичай має позитивний потенціал, та ефективної взаємодії з іонним пучком. Розглянуто тепловий та масовий баланси макрочастинок в іонно-плазмовій системі. Показано, що при опроміненні пилової плазми інтенсивними пучками іонів середніх енергій за інтервали часу порядку десятка мілісекунд температура макрочастинок сягає температури кипіння. Зменшення маси макрочастинок пов'язано як з розпиленням іонним пучком, так і з випаровуванням за температури кипіння