Ионное распыление медного катода на установке ПС-1

 

Возможность использования  того или иного ввода движения в значительной степени определяется конструкцией уплотнения элемента, передающего  движение в вакуумный объём. Конструкция  уплотнения определяет диапазон рабочих  температур и давлений, максимально  возможную передаваемую нагрузку, максимально  допустимые скорость и перемещение  ведомого звена в вакууме, кинематическую точность, срок службы и другие параметры  ввода.

В плазменном сепараторе ПС – 1 для передачи движения в вакуумный  объём используется устройство с  контактным уплотнительным элементом (фторопластовой втулкой), с дифференциальной откачкой, которое называется уплотнением  Вильсона.

В вводах с контактным уплотнительным элементом движущееся звено, передающее нагрузку, имеет постоянный механический контакт с неподвижным уплотнителем, размещённым в корпусе устройства.

Уплотнительный элемент  в конструкции Вильсона изготавливается  из вакуумной резины.

Ввод движения (рис.12) с фторопластовой втулкой не требует смазки. Так как фторопласт менее упруг, чем резина, и имеет значительную остаточную деформацию, для компенсации износа и обеспечения плотного контакта уплотняющей фторопластовой втулки 2 с подвижным полированным валом 7 используются упругие свойства резиновых колец 1, предварительно деформированных с помощью нажимной гайки 6 и втулки 5.

Рис. 12 Уплотнение Вильсона с фторопластовой втулкой.

 

1 –  кольцо уплотнительное (резина)

2 –  фторопластовая втулка 

3 –  штуцер, через который осуществляется  откачка уплотнения

4 –  кольцо с каналами из латуни (по этим каналам осуществляется  откачка)

5 –  втулка (латунь)

6 –  нажимная гайка (латунь)

7 –  вал 

8 –  керамический изолятор

9 –  трубка, охлаждающая мишень

10 –  корпус 

4.2 Описание конструктивных элементов штанги

 

На рис. 13 представлена фотография катода. Тепло с медного распыляемого диска 1 снимается водяным охлаждением. Для этого к торцу диска припаяна медная трубка  3, по которой пропускается вода. Для условий эксперимента длина трубки с охлаждающей водой, включая выводы, составляет примерно 5 м. Слив из трубки свободный. К медной пластине припаяны две термопары  2. Полный осевой ход штанги около 40 см.

 

Рис. 13 Фотография внутренней стороны распыляемого катода.

 

Рис. 14 Выходная часть катодного блока.

На рис. 14 показана выходная часть катодного блока. Здесь 1 – это трубка, через которую осуществляется откачка уплотнения; 2 – изолятор; 3 – выходной фланец с двумя трубками охлаждения и двумя термопарами; 4 – подсоединительный фланец; 5 – уплотнение Вильсона, 6 – рукоятка передвижения этой системы. Кожух с направляющими снят для показа устройства.

 

ГЛАВА 5. ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ  АППАРАТУРА

 

5.1 Оптическая диагностика

 

Состав плазмы контролируется с помощью спектральных измерений  линий излучения элементов в  плазме в видимой области спектра.

Свет от источника излучения, пройдя через линзовый конденсор, фокусируется на входной щели монохроматора МДР-12, попадает на дифракционную решетку и через выходную щель попадает на катод фотоэлектронного умножителя ФЭУ. Электрический сигнал с ФЭУ, однозначно связанный с интенсивностью светового потока в узком спектральном диапазоне, поступает на вход канала измерения – в усилитель постоянного тока (УПТ) и передается на систему регистрации.

 

5.2 Описание установки монохроматора МДР-12

 

Монохроматор служит для  выделения узких интервалов длин волн (частот) видимого, инфракрасного  или ультрафиолетового излучения. Монохроматор состоит (схема монохроматора) из входной щели , освещаемой источником излучения, коллиматора, диспергирующего элемента, фокусирующего объектива и выходной щели . Элемент пространственно разделяет лучи разных длин волн, направляя их под разными углами, и в фокальной плоскости объектива образуется спектр — совокупность изображений входной щели в лучах всех длин волн, испускаемых источником. Нужный участок спектра совмещают с выходной щелью поворотом диспергирующего элемента; изменяя ширину щели, меняют спектральную ширину  (интервал длин волн) выделенного участка.

Монохроматор МДР-12 имеет несколько сменных дифракционных решеток на различные спектральные диапазоны и набор светофильтров. Наличие двух выходных щелей и двух каналов в усилителе постоянного тока позволяет использовать широкий диапазон длин волн для сканирования разряда. Для этого используются умножители. Фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100 рассчитан на видимый диапазон спектра и имеет максимум спектральной чувствительности фотокатода при длине волны около 4500 Ǻ.

 

Технические данные монохроматора МДР-12:

Диапазон работы (нм)…………………………………………….от 200 до 2000 Фокусное расстояние зеркального  объектива (мм)…………………………600 Относительное отверстие……………………………………………………....1:6 Число штрихов на (мм)............................1200 Рабочая область (ангстрем)..........3500-10000 Обратная линейная дисперсия (нм/мм).....1,3

Монохроматор МДР - 12 с дифракционной решеткой в качестве диспергирующего элемента предназначен для выделения монохроматического излучения в заданном спектральном диапазоне.  В его состав входят несколько сменных дифракционных решеток на различные спектральные диапазоны, рельсы, набор светофильтров.

Монохроматор МДР-12 снабжен шаговым двигателем, который обеспечивает установку длины волны в плоскости выходной щели путём поворота дифракционной решетки. Дифракционная решётка проецирует изображение спектра на вход фотоэлектронного умножителя (ФЭУ-100).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 15 Оптическая схема монохроматора МДР –12

Источник света 1 через  конденсор 2 освещает входную щель 3. Поворотное зеркало 4 и зеркальный сферический  объектив 5, в фокальной плоскости  которого расположена входная щель, направляют параллельный пучок на дифракционную  решётку 6, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси с помощью  шагового двигателя, вырезая излучение  в требуемом диапазоне длин волн. После дифракции параллельный пучок  лучей фокусируется зеркальным сферическим  объективом 7 на выходную щель. В зависимости от положения поворотного зеркала 8 пучок света попадает на выходные щели: либо на щель 9, либо на щель 10, за которыми могут находиться фотоэлектронные умножители для разных диапазонов длин волн. В случае необходимости использования одновременно обеих выходных щелей в пучок вводится зеркало, срезанное по высоте. Для удаления высших порядков спектра, попадающих в рабочую область спектра, служат светофильтры 11.

 

 

 

5.3 Тип ФЭУ и его характеристики

 

Фотоэлектронный умножитель ФЭУ 100 предназначен для измерения  пороговых потоков лучистой энергии  в аппаратуре широкого применения.

ФЭУ имеет полупрозрачный сурьмяно-натриево-калиево-цезиевый фотокатод  на кварцевом входном окне и электростатическую фокусировку электронов.

ФЭУ изготавливают в стеклянном баллоне, с торцевым оптическим входом, с жесткими штырьками.

Основные технические  данные

Наименование параметра	Данные испытаний
Световая чувствительность фотокатода, А/лм	125*10-5
Абсолютная спектральная чувствительность фотокатода на длине  волны λ=400 нм, А/Вт	629*10-2
Абсолютная спектральная чувствительность фотокатода на длине  волны λ=800 нм, А/Вт	3,72*10-4
Область спектральной чувствительности, нм	170-830
Область максимальной спектральной чувствительности, нм	400-500
Число каскадов усиления	11
Диаметр рабочей поверхности  фотокатода (величина справочная), мм	16

В эксперименте требуется  контролировать поведение нейтральных  и однократно ионизованных атомов меди. Отметим, что энергия ионизации  атомов меди составляют 7,726 эВ, а сечение  ионизации иона меди 20,291 эВ.

Как показывают предварительные  измерения, в центральной части  вытекающего из источника металлической  плазмы, температура электронов составляет (5-10) эВ при плотности плазмы ~10¹⁸ м^-3 и поэтому медь может быть практически полностью ионизована. В то же время длина захвата сравнима с диаметром плазмы и в этой части потока вблизи катода должно наблюдаться излучение атомарной меди. Для регистрации атомарной меди с помощью описанной  выше техники выбраны интенсивные линии излучения  с длинами  волн  5218,2 А и 5153,2 А (зелёный дублет). Для регистрации излучения ионов меди выбраны линии 4931,6 А и 4909,7 А[5].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 6. РАСЧЕТ ДЛИНЫ ИОНИЗАЦИИ АТОМОВ МЕДИ

 

Ионы падают перпендикулярно  поверхности, а распыляются под разными углами. На рис. 16 видно, что атомы, вылетающие под разными углами, проходят разный путь в плазме и, следовательно, имеют разные коэффициенты захвата. От энергии атома зависит длина пробега до ионизации.

Рис. 16 Схема расположения катода в источнике металлической плазмы.

Для расчета коэффициентов  захвата требуется знать энергетические распределения распыляемых атомов и их  угловые характеристики.

Потенциал ионизации меди  равен 7.73 эВ. Если электроны имеют  энергию меньше, чем 7.73 эВ, то они не могут ионизовать медь.

В плазме находятся электроны  с разной энергией как ниже пороговой, так и выше пороговой энергии. Поэтому сечение нужно усреднить  по функции распределения Максвелла  и в результате получить скорость ионизации атомов электронами  . В диапазоне энергий 0-50 эВ скорости ионизации атомов хорошо аппроксимируется  выражением:

Для аргона (Ar):

Для меди (Cu):

Рис. 17 Скорость ионизации (К) от температуры электронов (Т_E).

Атом, находящийся в плазме, ионизуется за время:

                                                                                                      (6.1)                   

За это время атом со скоростью:

                                                                 (6.2)                 

пролетит путь:

                                                                          (6.3)              

Из рис. видно, что при  температуре электронов ~10 эВ для  меди и аргона

  При средней энергии атомов меди (Таблица 3) и плотности плазмы длина ионизации составляет:

                                               

Полученная длина ионизации  сравнима с поперечными размерами  плазмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 7. ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

Рис. 18 Схема задачи.

На металлическом диске  диаметром D и толщиной l с одной стороны поддерживается фиксированная температура T=20, на другую сторону подается стационарный тепловой поток q₀.

Градиент температур, установившейся между стенками диска  описывается законом теплопроводности Фурье:

             (7.1)

где - коэффициент теплопроводности                              

Отсюда температура на правой стенке:

                                                                                                       (7.2)

Где l-толщина диска.

Для меди[6] :                   =4

 

При заданных параметрах задачи: q₀₌10 кВт, диаметр диска D=10см, толщина l=1см, ( ) температура на правой стенке(х=l) равна ~21⁰С.

Тепло с медного  распыляемого диска снимается водяным  охлаждением. Для этого к торцу  диска (х=0) припаяна медная трубка (змеевик), по которой пропускается вода. Чтобы снять поток тепла q₀ при разности температуры воды =Т_вых – Т_вх между входом и выходом, объемный расход воды w через трубку должен составить

                                                                                                          (7.3)

где – теплоемкость воды, - плотность воды

При разности температур ,

Скорость течения  воды в трубке , s = , где s и d сечение и внутренний диаметр трубки соответственно. При d = 6 мм, скорость течения составляет v_в = 2.8 м/с.

Число Рейнольдса  Re = определяет режим течения воды в трубке: ламинарный, турбулентный или переходной (η_в = 0.82.10^-3 Па.с– вязкость воды).

При указанных  выше параметрах Re=10⁴ и, следовательно, режим течения турбулентный.

Разность давлений Δp между входом и выходом воды в трубе длиной составляет :