Оборудование и методы импульсно-периодической ионной и плазменной обработки материалов
На правах рукописи
Степанов Игорь Борисович ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ИОННОЙ И ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 01.04.20 – физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Томск – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Национальный исследовательский "Томский политехнический университет"
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Рябчиков Александр Ильич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, с.н.с.
Гаврилов Николай Васильевич доктор технических наук, профессор Ремнев Геннадий Ефимович доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Юшков Георгий Юрьевич
Ведущая организация: ГОУ ВПО "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Защита состоится «28» декабря 2010 года в 15-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.05 ГОУ ВПО "Национальный исследовательский "Томский политехнический университет" по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 2, стр. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Национальный исследовательский "Томский политехнический университет".
Автореферат разослан «» 2010 г.
Ученый секретарь совета по защите Докторских и кандидатских диссертаций Кожевников А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Модификация поверхностных слоев материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы активно исследуется в последние десятилетия и представляет собой одно из важнейших направлений развития науки и техники.
Существенно расширяется область использования ионно-лучевых и ионно-плазменных методов, как в научных исследованиях, так и в ряде практических применений.
Среди способов поверхностной модификации материалов широкое распространение получил метод плазменного осаждения покрытий на основе непрерывной вакуумной дуги. С целью решения проблемы ухудшения свойств формируемых покрытий из-за микрокапельной фракции в потоке вакуумно-дуговой плазмы, разработан целый ряд модификаций плазменных фильтров, обеспечивающих высокую эффективность очистки плазмы от микрочастиц, но представляющих собой достаточно сложные конструкции, обладающие ограниченной эффективностью прохождения плазмы и в силу этого, не получивших широкого распространения до настоящего времени. Такие плазменные фильтры практически не представляется возможным использовать в системах формирования пучков ионов металлов на основе непрерывной вакуумной дуги.
Существенное развитие в последние годы получил метод плазменно иммерсионной ионной имплантации. Наиболее часто он используется для ионного азотирования поверхностных слоев различных металлов. В абсолютном большинстве случаев плазменно-иммерсионная имплантация осуществляется при постоянных или импульсных 0,1–10 мс потенциалах смещения на мишени, погруженной в плазму. В ряде работ показана возможность и перспективность использования не только газовой, но и импульсной металлической плазмы в условиях применения достаточно короткоимпульсных потенциалов смещения. Преимущества плазменно иммерсионного метода ионной имплантации и (или) осаждения покрытий в условиях ионного ассистирования обусловлены возможностью однородной обработки деталей сложной формы, простотой технической реализации. В то же время плазменно иммерсионная ионная имплантация практически не используется для модификации свойств диэлектриков, например, для изменения их поверхностной проводимости, поскольку при длинных или постоянных потенциалах смещения в диэлектриках накапливается значительный заряд и, как следствие, вблизи его поверхности происходит торможение ионов или возникает поверхностный пробой, разрушающий структуру материала. Большая длительность потенциала смещения ограничивает и возможность применения традиционных подходов к плазменно-иммерсионному формированию ионного потока при высоких концентрациях плазмы, например, в случае абляционной плазмы, формируемой воздействием мощных электронных, ионных пучков или лазерного излучения на поверхность твердого тела.
Развитие методов и технологий ионно-лучевой модификации металлов и сплавов и их практическое использование определяется, прежде всего, разработкой конструктивно простых, высокопроизводительных, с большим ресурсом работы ионных источников, в том числе легко встраиваемых в системы ионно-плазменного осаждения покрытий. В большинстве случае для получения пучков ионов металлов используется плазма импульсно-периодического вакуумно-дугового разряда. В виду значительной доли микрокапельной фракции в плазме непрерывной вакуумной дуги, несмотря на её привлекательность с точки зрения создания ионных пучков высокой средней мощности, такие источники не получили своего развития, также как источники ионов металлов ленточного типа для модификации поверхности протяженных деталей.
В связи с вышеизложенным, тематика диссертационной работы, связанная с созданием и исследованием компактных фильтров для очистки плазмы непрерывной вакуумной дуги от микрокапельной фракции, разработкой метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий, с возможностью обработки диэлектриков, и импульсно-периодических и непрерывных источников ионов металлов аксиально-симметричных и ленточных пучков, как и новых систем диагностики плазмы, а также созданием на основе предложенных методов и оборудования комплексных установок нового поколения для ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов представляется актуальной.
Цель работы состояла в проведении исследований процессов генерации ионных потоков с использованием короткоимпульсных высокочастотных потенциалов смещения и многоэлектродных систем формирования пучков из плазмы газового разряда и непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях её очистки от микрокапельной фракции и создании на основе полученных результатов новых методов плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий, а также в разработке методов и оборудования для диагностики элементного состава и зарядового состояния ионов в плазме, в разработке ионных источников и систем очистки плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции, в создании серии установок для реализации комбинированных технологий ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые:
1. Предложены и разработаны прямоточные фильтры с аксиально симметричными и плоскими электродами жалюзийного типа для очистки плазмы непрерывной вакуумной дуги от микрокапельной фракции, обеспечивающие эффективность прохождения плазмы в пределах от 30 до 70 % при уменьшении количества микрочастиц в потоке плазмы в 102–103 раз. Определены основные закономерности влияния геометрических размеров и конфигурации электродов фильтра, условий магнитной изоляции электродов, величины положительного потенциала смещения на электродах, давления остаточного газа на параметры плазменного потока на выходе фильтра.
2. Предложены способы и устройство для измерения зарядового состояния и массового состава газовой и металлической плазмы на основе короткоимпульсного плазменно-иммерсионного извлечения ионов из плазмы, их транспортировки в эквипотенциальном пространстве трубы дрейфа с разделением на отдельные компоненты и последующей регистрацией импульсов тока. Определены основные закономерности влияния геометрических размеров трубы дрейфа, амплитуды и длительности потенциала смещения, давления газа, характеристик системы регистрации токовых импульсов на разрешающую способность спектрометра.
3. Предложен и разработан метод короткоимпульсной высокочастотной, с коэффициентом заполнения импульсов от 0,1 до 0,9, плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов в условиях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы. Показана возможность использования метода для реализации широкого круга режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов, в том числе: нагрев образцов, очистка и активация поверхности, ионная имплантация, включая высококонцентрационную, формирования переходного слоя между основой и покрытием, осаждения покрытий с ионным ассистированием на материалы с различной проводимостью.
4. Показана возможность формирования импульсно-периодических и непрерывных аксиально-симметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов из плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях фильтрации плазмы от микрокапельной фракции.
5. С использованием разработанных ионных источников, фильтрованной от микрочастиц вакуумно-дуговой плазмы и метода короткоимпульсной плазменно иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий показаны: а) возможность формирования интерметаллидных систем Al–Ni, Al–Ti, Ti–Ni, Al–Fe на глубине до 2,6 мкм с достижением концентрации легирующей примеси до 60 % при дозе внедренных атомов 3,6·1018 ион/см2;
б) возможность формирования многослойных (TiAl)/TiN покрытий с наноразмерными слоями, обеспечивающих значительное увеличение физико-механических и эксплуатационных свойств материалов;
в) возможность формирования композиционного покрытия TiSiB с толщиной до 10 мкм, обеспечивающего повышение до 4 раз эрозионной стойкости образцов из сплава ВТ6, существенное повышение усталостной прочности при циклическом нагружении и до 20 раз сопротивления солевой коррозии.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что:
1. Разработана серия прямоточных электромагнитных плазменных фильтров с аксиально-симметричными и плоскими электродами жалюзийного типа, обеспечивающих высокую эффективность прохождения заряженного компонента плазменного потока и высокую степень очистки вакуумно-дуговой плазмы от микрокапельной фракции. Компактная конструкция позволяет использовать плазменные фильтры как в технологических электродуговых испарителях, так и в ускорителях ионов металлов.
2. Полученные зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени существенно расширяют и дополняют преставление о физических процессах плазменно-иммерсионного формирования потоков ионов и позволяют сформулировать условия реализации технологических процессов модификации поверхности проводящих и диэлектрических материалов.
3. Предложенный и разработанный плазменно-иммерсионный времяпролетный спектрометр отличается простой и компактной конструкцией, обеспечивает измерение с высоким разрешением зарядового состояния и массового состава газовой и металлической плазмы и может быть использован для диагностики параметров плазмы в составе установок ионно-плазменного нанесения покрытий при проведении экспериментальных исследований и отработке технологий ионно-плазменной модификации материалов.
4. Предложенный и разработанный метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий позволяет реализовать режимы традиционной и высококонцентрационной ионной имплантации, а также ионно-ассистированного осаждения покрытий на проводящие и диэлектрические мишени в широком диапазоне изменения концентрации плазмы.
5. Разработаны источники импульсно-периодических и непрерывных аксиально-симметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов из плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях фильтрации плазмы от микрокапельной фракции, отличающиеся от известных устройств высокими техническими параметрами, надежностью, большим ресурсом работы и широкими функциональными возможностями. Источники предназначены для применения в технологиях ионной имплантации и ионно-ассистированного осаждения покрытий.
6. На основе разработанных ионных источников, фильтров для очистки плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции и метода короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий создана серия технологических комплексных установок нового поколения для реализации комбинированных технологий ионно-лучевой и ионно плазменной обработки материалов. Установки доведены до стадии внедрения и нашли применение в технологиях ионной имплантации с формированием интерметаллидных систем Al–Ni, Al–Ti, Ti–Ni, Al–Fe с высокой концентрацией легирующей примеси, на глубине существенно превышающей проективные пробеги ионов, формирования многослойных (TiAl)/TiN покрытий с наноразмерными слоями, композиционного TiSiB покрытия с обеспечением значительного увеличения физико-механических и эксплуатационных свойств материалов.
Личный вклад автора в выполнение настоящей работы состоит в определяющей роли при инициировании и постановке задач большинства исследований, непосредственном участии в выполнении основных разделов работы, анализе и интерпретации полученных результатов, личном формулировании выводов и научных положений. Автор внес решающий вклад в разработку основных конструкционных решений представленного в работе экспериментального и технологического оборудования. Фамилии соавторов, принимавших участие в моделировании процессов, исследовании и разработках по отдельным направлениям, обсуждении результатов, указаны в списке основных публикаций по теме диссертационной работы.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Многоэлектродный, прямоточный аксиально-симметричный и плоскопараллельный плазменный фильтр жалюзийного типа с формированием вблизи электродов магнитного поля за счет пропускания по ним тока 300–1500 А и подачи на электроды положительного потенциала 10–20 В обеспечивает уменьшение количества микрокапель в потоке дуговой плазмы с широким поперечным сечением в 102–103 раз при 30–50 % эффективности прохождения заряженного компонента плазмы. Однощелевая оптически непрозрачная жалюзийная система обеспечивает эффективность прохождения заряженного компонента плазменного потока до 70 %.
Эффективность прохождения заряженного компонента плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда в плазменных фильтрах жалюзийного типа определяется геометрическими параметрам электродов, их расположением относительно направления распространения плазменного потока, величиной приложенного к ним положительного потенциала, а также топографией и величиной создаваемого в области плазменного фильтра магнитного поля.
2. Отрицательный потенциал наносекундной длительности, приложенный к эквипотенциальной трубе дрейфа, погруженной в плазму, обеспечивает формирование потока ионов вблизи мелкоструктурной сетки на её входе с динамически изменяющейся энергией ионов и эффективным пространственно временным их разделением по зарядовым состояниям и массе в процессе транспортировки. Разрешающая способность плазменно-эмиссионного спектрометра определяется геометрическими параметрами трубы дрейфа, давлением газа в области транспортировки ионного потока амплитудой и длительностью потенциала смещения, конфигурацией и структурой сеточного электрода на входе трубы дрейфа. Улучшение разрешающей способности спектрометра обеспечивается за счет вычитания осциллограмм импульсов ионного тока, полученных при различной длительности импульсов напряжения смещения.
3. Приложение коротких по длительности (0,5–9 мкс) импульсов потенциала смещения к мишени, погруженной в плазму, с частотой от 100 до 440 кГц и коэффициентом заполнения импульсов от 0,1 до 0,99, обеспечивает реализацию режимов ионной имплантации и осаждения покрытий в условиях ионного ассистирования как с проводящими, так и диэлектрическими мишенями при концентрации плазмы от 108 до 1014 см-3. Метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий может быть реализован как с применением одно, так и биполярных потенциалов смещения. Измерение энергетического спектра ионов обеспечивает возможность определения времени стабилизации ионно-эмиссионной границы плазмы, определяющей начало формирования потока с максимальной энергией ионов. Для уменьшения требуемого максимального тока импульсного генератора передний фронт потенциала смещения по длительности должен быть соизмерим со временем стабилизации ионно-эмиссионной границы плазмы.
4. В случае применения диэлектрических мишеней ускоряющее ионы напряжение определяется разностью приложенного потенциала смещения и потенциала на поверхности диэлектрика, динамически изменяющегося в зависимости от характеристик диэлектрика (толщина и диэлектрическая проницаемость), ионного тока, тока электронного смещения и тока вторичной ионно-электронной эмиссии. Для эффективного использования потенциала смещения его длительность не должна превышать время зарядки емкости, образованной в системе: плазма – диэлектрик – потенциальный электрод.
Компенсация накапливаемого на поверхности диэлектрика положительного заряда осуществляется потоком электронов из плазмы в паузах между импульсами напряжения смещения.
5. Созданные на основе проведенных исследований источники, с использованием в качестве эмиссионной среды фильтрованной от микрокапельной фракции плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда, обеспечивают при ускоряющем напряжении до 40 кВ получение аксиально-симметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов с длительностью от 400 мкс до непрерывных, с током до 2 А в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов до 200 имп/с и 200 мА в непрерывном режиме. Источники предназначены для применения в технологиях ионной имплантации и ионно ассистированного осаждения покрытий.
6. На основе разработанных фильтров для очистки плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции, метода короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий, источников ионов металлов созданы комплексные установки, позволяющие реализовать как традиционные технологий ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов, так и новые технологии, такие как формирование:
интерметаллидных систем AlNi, AlTi, TiNi, AlFe с толщиной слоя до 2,6 мкм с достижением концентрации легирующей примеси до 60 % при дозе внедренных атомов 3,6·1018 ион/см2;
многослойных (TiAlN)/TiN покрытий с наноразмерными слоями, композиционного покрытия TiSiB с толщиной до 10 мкм, обеспечивающие увеличение физико-механических и эксплуатационных свойств материалов.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается совпадением результатов, полученных при использовании различных методов измерения, и результатами аналитических расчетов. Подтверждением достоверности и обоснованности положений и выводов являются успешные испытания опытных образцов электрофизического оборудования и предложенных методов модификации свойств материалов, а также наличие патентов РФ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на III и IV конференциях "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1994, 1996), 12, 14 и 15 Международных конференциях по модификации поверхности ионными пучками (Германия, Марбург, 2001;
Кушадасы, Турция, 2005, Мумбай, Индия, 2007), 18-м симпозиуме по физике плазмы и технологиям (Чешская Республика, Прага, 1997), 7, 8, 11 Международных конференциях по ионным источникам (Италия, Таормина, 1997;
Япония, Киото, 1999;
Франция, Ко, 2005), II и III Международных конференциях "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Беларусь, Минск, 1997, 1999), 5 Международной конференции "Пленки и покрытия `98" (С-Петербург, 1998), 5-9 конференциях по модификации материалов пучками заряженных частиц и плазменными потоками (Томск, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008), 13 Международной конференции по пучкам частиц высокой энергии (Япония, Нагаока, 2000), 5 и 8 Русско-Корейском международных симпозиумах по науке и технологиям (Томск, 2001, 2004), XIII и XIV Международном совещании "Радиационная физика твердого тела (Украина, Севастополь, 2003), XV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (Тольятти, 2003), V Международной конференции "Ионная имплантация и другие применения ионов и электронов" (Польша, Казимир Долни, 2004), Всероссийской конференции "Центры коллективного пользования аналитическим оборудованием" (С-Петербург, 2004), XLIII Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Беларусь, Витебск, 2004), 10-м Международном симпозиуме по перспективным физическим направлениям (Япония, Тсукуба, 2005), 8-м Международном совещании по ионной имплантации и осаждению покрытий с использованием плазмы (Китай, Ченгду, 2005), 5 Международной конференции "Ядерная и радиационная физика" (Казахстан, АлмаАта, 2005), Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-2006" (Москва, 2006), Российской научно-практической конференции "Физико технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения (Томск, 2007, 2009).
Публикации. По теме работы опубликовано 95 работ, в том числе: 43 статьи и доклада в рецензируемых изданиях, получено 6 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложения, содержит 347 страниц машинописного текста, 162 иллюстрации, список литературы из 366 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновываются актуальность, цель, научная новизна и практическая значимость работы. Излагается краткое содержание диссертационной работы и формулируются выносимые на защиту научные положения.
В первой главе проведен анализ современного состояния исследований и тенденций развития в области разработки оборудования и методов ионно-лучевой и плазменной обработки материалов на основе плазмы вакуумно-дугового разряда.
Рассмотрены конструктивные особенности вакуумно-дуговых генераторов плазмы и концептуальные подходы применения плазмы вакуумной дуги при разработке источников ионов проводящих материалов. Особое внимание уделено работам посвященным исследованию характеристик распространяющейся в потоке вакуумно-дуговой плазмы микрокапельной фракции, способам и устройствам очистки плазмы от микрочастиц.
Выполнен обзор теоретических и экспериментальных исследований, а также основных моделей процессов формирования и релаксации ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода, погруженного в плазму.
На основе проведенного анализа показано, что к началу выполнения исследований по теме диссертационной работы в различных лабораториях мира предложено и разработано большое количество вариантов генераторов плазмы, в том числе с очисткой плазмы от МКФ. Предложены и реализованы методы формирования пучков ускоренных ионов из плазмы ВДР с использованием диодных систем и на основе плазменно-иммерсионного подхода. Разработанные генераторы плазмы и источники ионов обеспечивают реализацию широкого круга режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной модификации материалов, включая различные методы ИИ, осаждения покрытий, а также сочетающие режимы совместного воздействия на поверхность потока плазмы и ионов различной энергии.
В то же время интенсивное развитие методов ионно-лучевой и ионно плазменной обработки различных материалов предопределило необходимость решения следующих задач:
1. Разработка простых, надежных в эксплуатации, эффективных систем очистки плазмы ВДР от МКФ, которые могли бы использоваться как в составе генераторов плазмы, так и в ионных источниках.
2. Разработка и исследование источников ускоренных ионов и плазмы на основе генерации плазмы непрерывным ВДР с возможностью изменения среднего тока ионного пучка в широких пределах, обеспечивающих высокопроизводительную обработку материалов, отличающихся надежностью и большим ресурсом работы.
3. Разработка и исследование метода и оборудования плазменно-иммерсионного формирования ионного потока, обеспечивающих реализацию режимов комбинированной ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов с различной проводимостью.
4. Разработка оборудования для исследования зарядового состояния и массового состава низкотемпературной плазмы.
5. Выполнение научно-организационных мероприятий для организации комплексного исследования физико-механических свойств поверхностных и приповерхностных слоев материалов, подвергнутых воздействию потока плазмы и ионных пучков.
6. Разработка технологического оборудования для реализации комбинированных режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной модификации материалов.
Вторая глава посвящена адаптации традиционных и разработке новых экспериментальных методик и оборудования для диагностики параметров плазмы, ионных пучков и комплексного изучения физико-механических свойств модифицированных слоев материалов и покрытий, применительно к рассматриваемым в работе комбинированным режимам воздействия на поверхность одно- и многокомпонентной газометаллической плазмы и пучков ионов в широком энергетическом диапазоне.
На основе зондовых, коллекторных и калориметрических методов разработан комплекс диагностического оборудования для измерения локальных и интегральных характеристик плазмы с концентрацией частиц до 1012 см-3, с направленной скоростью распространения до 2·10 м/с, в том числе в магнитных полях с индукцией до 2·10- Т и ионных пучков с энергией до кэВ, током до 2 А с площадью поперечного сечения до 700 см2.
области Рис. 1. Схема экспериментального стенда Определены условия и применимости оборудования.
Предложены способ и устройство для измерения зарядового состояния и массового состава газовой и металлической плазмы на основе короткоимпульсного плазменно иммерсионного извлечения ионов из плазмы, их транспортировки в эквипотенциальном пространстве трубы дрейфа (ТД) с разделением на отдельные компоненты и последующей регистрацией импульсов тока. Схема принципа работы плазменно иммерсионного времяпролётного спектрометра для исследования зарядового состояния и массового состава плазмы представлена на рис. 1.
Плазменно-иммерсионный времяпролетный спектрометр представляет собой ТД, установленную в вакуумной камере соосно с генератором плазмы. На входе ТД располагаются две сетки, формирующие ускоряющий зазор. Одна из сеток закреплена на ТД, другая заземлена. Сетки на входе и выходе ТД формируют внутри неё эквипотенциальное пространство. От источника импульсного смещения на ТД подается отрицательный потенциал амплитудой 0,5–2 кВ и длительностью 50– нс. Частота импульсов напряжения 20–30 имп/с. ЦФ располагался на расстоянии 10– 30 мм от выхода ТД.
Коллектор находился под отрицательным потенциалом (50–100) В. С целью уменьшения электронного тока на коллектор между ним и дальним концом ТД располагался кольцевой магнит с индукцией (1,5–3)·10–2 Т. Минимальную длину ТД (L), необходимую для измерения энергетического спектра ионов массой mион и максимальной зарядностью Zмакс, с использованием импульса напряжения амплитудой U и длительностью, можно оценить как:
( ) L = (2 Z макс e U ) / mион + 0, где 0 – проекция скорости направленного движения плазменного потока на ось ТД, или бомовская скорость для случая свободно расширяющейся плазмы. Исходя из параметров плазмы и импульса потенциала смещения, длина пролетной базы в различных экспериментах составляла 35, 61 и 89 см. Регистрация сигналов с ЦФ осуществлялась с помощью осциллографа LeCroy-6000А при статистическом усреднении по 200 осциллограммам. С целью исключения торможения ионов в зазоре между ЦФ и выходной сеткой ТД длительность импульса ускоряющего напряжения должна быть меньше времени пролёта самых быстрых ионов. Время пролета ионов в ТД можно оценить из выражения:
tи = ( L + L1 ) mион /(2Z ион eU + mионион )1/ 2, 1/ 2 где: Zион, mион, ион – зарядовое состояние, масса и скорость ионов, U – ускоряющее напряжение, e – заряд электрона, L – длина ТД, L1 – расстояние от выходной сетки ТД до коллектора ЦФ.
Этап 1 Этап 2 Этап На рис. 2 показаны различные фазы формирования эмиссионной границы плазмы вблизи сеточного электрода на входе в ТД. Из рисунка следует, что структура сетки играет важную роль в динамическом процессе формирования ионного потока. На первом этапе формирования слоя разделения зарядов большая часть ионов, находящихся в ускоряющем промежутке, получает значительное радиальное приращение - - энергии, обусловленное искривлением Рис. 2. Формирование эмиссионной границы линий напряжённости электрического поля плазмы вблизи сеточного электрода вдоль нормали к поверхности нитей сетки. В этих условиях распределение ионов, миновавших сеточный электрод, близко к однородному по углам.
По мере расширения зазора эмиссионная граница плазмы приобретает всё более плоскую форму и радиальная составляющая электрического поля остаётся ненулевой только в непосредственной близости к сетке. Это отражается и на угловом распределении ионов, пересекших ускоряющий зазор.
Наилучшие результаты получаются в случае стационарного состояния ускоряющего зазора, определяемого отношением "трёх вторых", если величина этого зазора много больше шага сетки1. В экспериментах с различными сетками показано, что а) уменьшение размера ячейки сетки с 1 мм до 100 мкм увеличило амплитуду регистрируемого сигнала в 2 раза при прозрачности сеток 0,8. Тем не менее, использование мелкоструктурной сетки не позволило полностью решить проблему высоких угловых скоростей ионов, проходящих ускоряющий промежуток в период динамического расширения зазора. Увеличения амплитуды сигнала с ЦФ удалось б) достигнуть при использовании на входе спектрометра выпуклой сетки с радиусом кривизны, равным длине ТД. В результате фокусировки ионного потока сигнал с ЦФ возрос на 50 %.
Для снижения влияния динамики процесса расширения ускоряющего промежутка на энергетический разброс ионов было предложено ограничить ширину промежутка с помощью дополнительной заземлённой сетки, с) установленной перед потенциальным Рис. 3 Осциллограммы сигнала с ЦФ для Ti сеточным электродом на расстоянии плазмы при амплитуде ускоряющего напряжения –2 кВ: а) длительность импульсов меньшем, чем ширина стационарного напряжения смещения 300 и 325 нс;
б) результат зазора, определяемого отношением "трёх вычитания осциллограмм, в) результат вторых". Так, например, при длительности вычитания осциллограмм при использовании ограничивающей сетки на входе в ТД Рябчиков А.И., Дектярев С.В., Степанов И.Б. Особенности эмиссионных свойств импульсных широкопучковых источников ионов и плазмы на основе испарения металла вакуумной дугой // Известия вузов. Физика. – 1994. Т. 37. № 2. C. 8292.
импульса ускоряющего напряжения 200 нс, размещение дополнительной сетки на расстоянии 3 мм позволяет снизить полуширину пика до 270 нс.
Существенное улучшение разрешающей способности спектрометра достигается на основе предложенного метода вычитания осциллограмм ионного тока с коллектора, полученных при различной длительности импульсов напряжения смещения на ТД.
Как следует из рис. 3а, для осциллограмм, полученных с использованием импульсов смещения длительностью 300 и 325 нс, динамический процесс расширения слоя разделения зарядов и формирования ускоряющего зазора протекает одинаково – низкоэнергетичная часть спектра совпадает. Следовательно, эта часть спектра может быть удалена путем вычитания осциллограмм. Результат вычитания осциллограмм представлен на рис. 3б. Видно, что ширина пиков существенно снижается – результат не содержит низкоэнергетичной части спектра. Экспериментально показано, что метод вычитания импульсов различной длительности позволяет провести детальное исследование энергетического спектра ионов и восстановить первоначальный спектр на входе в трубу дрейфа, поскольку снимается вопрос о моменте пересечения ионами потенциальной сетки ускоряющего промежутка. Чем меньшую длительность имеет исследуемый интервал времени, тем более точен получаемый результат.
Результат вычитания осциллограмм, полученных с использованием дополнительной заземлённой сетки, расположенной на расстоянии 3 мм от потенциальной сетки на входе в ТД, приведен на рис. 3в. Из представленных данных следует, что использование дополнительной сетки позволяет не только уменьшить ширину результирующих пиков до 170 нс, но и получить моноэнергетический пучок с энергией, близкой ZeU в интервале времени, когда в неограниченном зазоре процесс динамического расширения ещё не закончен. Несмотря на существенное снижение амплитуды полезного сигнала, при использовании дополнительной сетки, интегральные характеристики, определяющие отношение количества ионов разной зарядности в исходной плазме, остаются неизменными.
Очевидно, что ионы, отличающиеся по зарядовому состоянию, но имеющие одинаковую массу, характеризуются различной скоростью (как корень из отношения зарядностей ионов разного сорта), а потому могут быть без труда разрешены для практически любой плазмы. Оценим возможности спектрометра с точки зрения разрешения массового состава плазмы. Полагаем, что ZeU (m 02 ) / 2 (где Z, m, 0 – зарядовое состояние, масса и скорость ионов, e – заряд электрона, U – амплитуда потенциала смещения). Отношение времени пролёта трубы дрейфа для ионов с одинаковой зарядностью, но различающихся по массе, будет определяться выражением:
1 / 2 = m1 / m Когда m2 m1, ионы второго типа будут зарегистрированы на коллекторе через = 2 – 1 после ионов первого типа. По сути, определяет необходимое временное разрешение спектрометра для разделения частиц и может быть выражена, как:
( )( ) 1 m2 / m1 1 = L m2 / m1 1 / 2ZeU / m1, где L – длина пролетной базы.
Например, для Ti+ (A = 48) и его изотопа (А = 46) при U = –2 кВ и L = 0,9 м, = 211 нс.
Это означает, что полученное разрешение позволяет исследовать даже изотопный состав плазмы ионов одного материала с одинаковым зарядовым состоянием.
Примеры практического применения плазменно-иммерсионного времяпролетного спектрометра представлены на рис. 4.
а б в г Рис. 4. Сигнал с цилиндра Фарадея: а) Ti;
б) W;
в) N2;
г) Ar С использованием спектрометра проведено изменения зарядового состояния ионов металлической и газовой плазмы в зависимости от давления реакционного газа - азота. Эксперимнтально измеренные зависимости приведены на рис. 5.
Экспериментально показано, что разрешающая способность плазменно эмиссионного времяпролетного спектрометра определяется геометрическими параметрами трубы дрейфа, давлением газа в области транспортировки ионного потока амплитудой и длительностью потенциала смещения, конфигурацией и структурой сеточного электрода на входе трубы дрейфа.
Если спектрометр применяется для измерения зарядового и массового состава вакуумно-дуговой плазмы, отличающейся временной нестабильностью параметров, то для получения надежных результатов необходим статистический набор спектров. В этом случае на полуширину результирующего энергетического спектра ионов будет оказывать влияние и статистический разброс амплитуды ускоряющего напряжения спектрометра, в том числе и в условиях изменяющейся от импульса к импульсу ионной нагрузки генератора. Для устранения этого влияния необходимо применять генератор импульсного напряжения с высокой стабильностью и слабой зависимостью выходного напряжения от тока нагрузки.
На разрешающую способность спектрометра влияет и начальный энергетический разброс ионов в плазме.
Например, когда направление распространения плазмы вакуумной дуги совпадает с осью спектрометра, необходимо учитывать, что энергетический разброс ионов в плазме составляет несколько десятков эВ2. Для уменьшения влияния на а) разрешение спектрометра начального энергетического разброса ионов следует применять ускоряющее напряжение (где W - средняя энергия U W / Z e направленного движения ионов в плазме).
Влияние на энергетический спектр ионов может оказывать и пространственный заряд пучка. В случае выявления этого фактора необходимо использовать дополнительную систему б) зарядовой нейтрализации пучка в ТД, или Рис. 5. Зависимости изменения зарядового уменьшить его ток до величины, при которой продольное провисание потенциала, состояния ионов для газовой и металлической плазмы от давления азота в не будет оказывать существенного влияния камере: a) в процентном соотношении;
б) в на энергию ионов. абсолютном значении Наконец, при оптимизации разрешающей способности спектрометра необходимо учитывать геометрические параметры системы. При длине пролетной базы L и диаметре входной апертуры D на выходе ТД будет наблюдаться размытие энергетического спектра ионов примерно на D/L100 %. Это обусловлено тем, что ионно-оптическая система допускает движение ионов в ТД как параллельно оси, так и под углом D/L.
Снизить влияние этого фактора позволяет коллимирование и фокусировка пучка или увеличение амплитуды потенциала смещения на ТД.
Влияние пролетной базы на перезарядку ионов исследовано в эксперименте с Ti плазмой для ТД длиной 61 и 35 см. Результаты измерений при давлении азота 0,01– Па позволяют сделать вывод, что варьирование длины пролетной базы не влияет на зарядовое состояние ионного потока. Следовательно, перезарядка ионов происходит во время дрейфа плазмы от катода вакуумно-дугового испарителя до входа в плазменно-иммерсионный спектрометр.
В целом, экспериментальные исследования подтвердили высокую разрешающую способность плазменно-иммерсионного времяпролетного спектрометра, позволяющего, в совокупности с предложенными методиками обработки результатов измерений, определять зарядовое состояние ионов с точностью до десятых – сотых Лунев В.М., Падалко В.Г., Хороших В.М. Исследование некоторых характеристик плазмы вакуумной металлической дуги // ЖТФ. – 1977. – Т. 7. – С. 1486–1495.
долей процента, а массовый состав плазмы с чувствительностью до 1 а.е.м. ( = 50–200 нс).
Внешний вид разработанного времяпролетного плазменно-иммерсионного спектрометра с системой питания представлен на рис. 6.
Во второй главе также обосновывается необходимость проведения комплексных исследований свойств материалов и установления взаимосвязи их изменения от совокупности условий и режимов ионно- Рис. 6. Внешний вид спектрометра лучевого и ионно-плазменного воздействия при отработке технологий модификации свойств материалов. Сформирован комплекс аналитического оборудования и методик измерения физико-механических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев материалов и покрытий, обеспечивающий высокую достоверность измерения элементного состава и физико механических характеристик ионно-модифицированных материалов и покрытий в диапазоне: элементный состав с чувствительностью 0,1–0,5 ат. %, с разрешением по глубине 0,5–1 нм;
морфология поверхности с разрешением до 1 нм;
толщина покрытий 0,1–50 мкм;
твердость 0,1–100 ГПа и модуль упругости 10–1000 ГПа с разрешением по вертикали 0,3 нм;
адгезионная прочность 0,01–30 Н;
коэффициент трения в диапазоне 0,01–1 с погрешностью 0,005;
износ 10-2–10-10 мм3Н-1м-1.
Определяются условия и области применимости оборудования и методик исследования.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований основных закономерностей формирования очищенных от микрокапельной фракции потоков вакуумно-дуговой плазмы в оптически непрозрачных системах жалюзийного типа. Принцип работы ПФ с плоскопараллельными электродами продемонстрирован на рис. 7.
Очистка плазмы вакуумно-дугового разряда (ВДР) от микрокапельной фракции (МКФ) осуществляется в результате взаимодействия макрочастиц с оптически непрозрачными электродами ПФ в направлении распространения плазменного потока. Распространение заряженного компонента плазмы реализуется в условиях подачи на жалюзийные электроды положительного потенциала 10–20 В и пропускания по электродам тока 300–1500 А.
Рис. 7. Схема принципа работы ПФ К наиболее важным характеристикам ПФ относятся эффективность прохождения заряженного компонента плазменного потока и степень очистки плазмы от МКФ. Соответствующие коэффициенты () и (), определяются, как: = Iплф/Iпл и = Nпл/Nплф, где Iплф, Iпл – ионный ток насыщения из плазмы на коллектор, а Nплф, Nпл, число частиц, зарегистрированных на поверхности образца при наличии и в отсутствии ПФ.
Экспериментально показано, что эффективность прохождения заряженного компонента плазменного потока зависит от геометрических параметров электродов (длины электродов L и ширины межэлектродного промежутка h), рис. 8, угла поворота электродов относительно направления распространения плазменного потока, подаваемого на электроды положительного смещения U, а также величины, направления и конфигурации магнитного поля в межэлектродных промежутках ПФ, формируемого при пропускании по электродам тока (I) и достигает для однощелевой системы электродов 70 %, рис. 9.
Предложено и исследовано несколько вариантов многоэлектродных ПФ для очистки плазменных потоков с широким поперечным сечением, включая плоскопараллельную конструкцию, конструкцию с изменяющемся углом поворота электродов относительно направления распространения плазменного потока, с электродами, выполненными в виде поверхностей второго порядка, с электродами из постоянных магнитов, а также аксиально-симметричных фокусирующих и дефокусирующих систем электродов, рис. 10 и рис.11.
Рис. 8. Эффективность прохождения заряженного Рис. 9. Эффективность прохождения заряженного компонента плазменного потока в зависимости от компонента плазменного потока в зависимости от потенциала электродов. 1– (Iэл = 1,5103 A, = 150), длины электродов (L) и ширины межэлектродного 2 – (Iэл = 1,5103 A, = 450), 3 – (Iэл = 0 A, = 300) промежутка (h) в условиях оптической непрозрачности системы: 1– L = 30 мм;
h = 10 мм;
2– L = 45 мм;
h =10 мм;
3 – L = 45 мм;
h = 15 мм Рис. 10. Варианты жалюзийных электродов.
Рис. 11. Распределение плотности ионного тока насыщения на зонды по сечению плазменного потока на расстоянии 13 см от ПФ (Iд = 100 А).
Конфигурация электродов ПФ: а) – сходящаяся, б) расходящаяся: 1а, 2а – без ПФ;
3а, 4а, 5б – с ПФ.
(1а, 3а ) – Согласованное направление магнитных полей катушек ЭДИ, (2а, 4а, 5б) – Встречное направление магнитных полей катушек ЭДИ.
Отражение плазменных ионов от формируемого вблизи электродов ПФ положительного потенциала смещения наиболее эффективно реализуется в условиях эксвипотенциализации силовых линий магнитного поля в межэлектродных промежутках жалюзийной системы. Показано, что необходимое для замагничивания электронной компоненты плазменного потока с концентрацией до 109–1010 ион/см магнитное поле составляет от 10-2 до 3·10-2 Т.
На основе экспериментальных исследований и моделирования конфигурации силовых линий магнитного поля в аксиально-симметричной системе электродов показано, что наряду с уже отмеченными выше условиями дополнительное влияние на эффективность транспортировки плазмы в многоэлектродных жалюзийных системах оказывает направление магнитных полей в соседних межэлектродных промежутках, количество электродов, их толщина, а также суперпозиция магнитных полей катушек электродугового испарителя и ПФ, рис.11, 12. Показана возможность управления распределением плотности ионного тока насыщения из плазмы j по сечению потока при изменении пространственного расположения электродов жалюзийной системы, рис.11.
Рис. 12. Конфигурация силовых линий магнитного поля вблизи электродов ПФ. 1– анод, 2– катушки ВДИ, 3 – дополнительная магнитная катушка, 4 – электроды ПФ, 5 защитный электрод, 6 – катод Представлены результаты исследования эффективности прохождения заряженного компонента плазменного потока в зависимости от давления в вакуумном объеме. Определена область применимости ПФ при работе в газовой среде. Показано, что стабильная работа электромагнитного ПФ наблюдается в диапазоне давлений электродугового испарителя от 10-3 до 10-1 Па, рис.13.
Исследованы закономерности снижения МКФ при прохождении плазменного потока в межэлектродном пространстве ПФ жалюзийного типа. Показано, что в условиях оптической непрозрачности жалюзийной системы наименьшее количество МКФ регистрируется в телесном угле, определяемом наклоном электродов плазменного фильтра к оси электродугового испарителя, рис.14. Дополнительное снижение МКФ в потоке вакуумно-дуговой плазмы достигается на расстоянии, превышающем геометрический фокус жалюзийной системы, а также в случае применения электродов с ребристой структурой поверхности. Наиболее вероятным механизмом проникновения капельной фракции на выход ПФ может быть разбрызгивание жидких капель и упругое отражение капель в твердом агрегатном состоянии от электродов ПФ, рис.15 и рис. 16.
Рис. 13. Изменение ионого тока на выходе ПФ (1-3) и тока в Рис. 14. Схема распределения МКФ цепи источника дополнительного смещения (4, 5) в на выходе ПФ зависимости от давления в вакуумном объеме: 1–в отсутствие ПФ (N2), 2, 4–при наличии ПФ (Ar), 3, 5–при наличии ПФ (N2).
Ток по электродам ПФ–1470 А, потенциал электродов–18 В Предложена и разработана серия плоскопараллельных и аксиально симметричных ПФ жалюзийного типа для технологического применения в вакуумно-дуговых генераторах плазмы и источниках ускоренных ионов, рис.17.
Разработанные устройства обеспечивают прохождение до 30–55 % заряженной компоненты плазмы и снижение микрокапельной фракции в 102–103 раз без изменения направления распространения плазменного потока. Обсуждаются возможности повышения степени очистки плазмы вакуумно-дуговой плазмы от МКФ в системах жалюзийного типа, рис.15 и рис. 18. Рассматриваются перспективы применения ПФ в технологических установках, реализующих методы ионно лучевой и ионно-плазменной обработки материалов, рис.19.
Рис. 16. Диаграмма изменения количества Рис. 15. Изменение количества МКФ на зарегистрированных микрочастиц на поверхности TiN покрытия по сечению поверхности подложки в зависимости от плазменного потока на расстоянии 25 см от ЭДИ расстояния между ПФ и образцом (Iд = 150 А).
Рис. 17. Электромагнитный аксиально- Рис. 18. Изменение тока и скорости осаждения симметричный ПФ жалюзийного типа с покрытий в зависимости от расстояния до ПФ.
дополнительной катушкой и инверторной системой питания а) б) Рис. 19. Трехмерные изображения поверхности TiN покрытия, сформированные на расстоянии 25 см от ЭДИ: а) без ПФ, б) с ПФ Четвертая глава посвящена разработке и исследованию импульсно периодических и непрерывных аксиально-симметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов из плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях фильтрации плазмы от МКФ. Принцип действия источников основан на непрерывной генерации очищенной от МКФ плазмы непрерывным вакуумно дуговым разрядом с последующим импульсно-периодическим или непрерывным формированием ионного пучка в диодной системе прямого действия. Структурные схемы источников приведены на рис. 20 и рис. 21.
В импульсно-периодическом режиме формирования ускоряющего напряжения амплитудой до 40 кВ, с длительностью импульсов до 400 мкс и частотой их следования до 200 имп/с источник "Радуга–5" обеспечивает генерацию аксиально симметричного пучка ионов с током до 2 А при средней мощности до 6,4 кВт. При постоянном ускоряющем напряжении 15 кВ продемонстрирована возможность генерации ионного пучка со средней мощностью более 10 кВт. Источник псевдоленточных пучков ионов "Радуга–6" обеспечивает в непрерывном режиме формирование ионного пучка с током до 200 мА при ускоряющем напряжении кВ с площадью поперечного сечения на выходе пучка 600120 мм2. Ресурс непрерывной работы ионного источника на основе непрерывного ВДР определяется выработкой массивного катода и может достигать нескольких сотен часов.
Источники предназначены для применения в технологиях ионной имплантации и ионно-ассистированного осаждения покрытий. Технические характеристики источников приведены в таблице.
Рис. 20. Структурная схема источника "Радуга–5": Рис. 21. Структурная схема источника "Радуга–6":
1 – ускоряющая сетка, 2 – ПФ, 3 – катушки с Схема экспериментального стенда: 1 – анод;
2 – током, 4, 5 – источники питания ПФ, 6 – водоохлаждаемый катод;
3 – магнитопровод;
4 – генератор импульсов ускоряющего напряжения, 7 ПФ;
5;
6 – сеточный электрод;
7 – изделия;
8;
9 – – блок поджига, 8 – источник питания ВДР, 9 – источники питания ПФ;
10;
11 – источники поджигающий электрод, 10 – катод, 11 – анод, 12 питания электродугового испарителя;
12 – – сетка для отсечки плазменных электронов источник питания ускоряющего напряжения Технические характеристики источников ионов "Радуга–5" "Радуга–6" Режим генерации плазмы Непрерывный ВДР Сорт ионов Ионы металлов Режим генерации ионного пучка Импульсно- Непрерывный периодический/ Непрерывный Ток дугового разряда, А 90–180 20– Зарядовое состояние ионов Определяется зарядовым состоянием ионов в дуговой плазме Концентрация плазмы на выходе источника, ион/см2 10 – Ускоряющее напряжение, кВ в импульсно-периодическом режиме 20/ в непрерывном режиме 15 20/30/ Энергия ионов, кэВ до Ток ионов в импульсе, А до 2 до 0, Выходная апертура источника, мм 180 Длительность импульса ионного пучка, мкс 400 Частота следования импульсов, имп/с до 200 Средняя мощность ионного пучка, кВт в импульсно-периодическом режиме до 6, в непрерывном режиме до 10 до Скорость осаждения пленок, мкм/ч до 20 Рассмотрены особенности конструкции и системы питания прямоточного, аксиально-симметричного ПФ для ионного источника "Радуга–5". Установлено, что в режиме генерации потоков металлической плазмы эффективность транспортировки плазмы в ПФ источника "Радуга–5", в зависимости от условий эксперимента, составила 30–37 %. Экспериментально и методами численного моделирования показана возможность управления распределением плотности ионного тока по сечению пучка при изменении конфигурации электродов ПФ.
Продемонстрированы примеры формирования аксиально-симметричных пучков ионов широкого поперечного сечения с неоднородностью распределения плотности ионного тока не превышающей 25–30 %.
Для формирования псевдоленточного пучка ионов металлов предложен и реализован протяженный вакуумно-дуговой генератор плазмы непрерывного действия с замкнутой траекторией движения катодного пятна на поверхности массивного водоохлаждаемого катода длиной 695 мм и шириной 85 мм. Стабилизация катодного пятна на рабочей поверхности катода реализована в условиях формирования двухарочного магнитного поля с индукцией 50–100 Гс, создаваемого набором постоянных магнитов или электромагнитной катушкой. Результаты исследования процессов инициирования и стабильного горения ВДР в разрядной системе протяженного типа показали, что скорость перемещения катодного пятна существенно изменяется в зависимости от материала катода и напряженности магнитного поля в диапазоне от 1,5 м/с до 16,2 м/с при изменении напряженности магнитного поля от 25 до 180 Гс.
Результаты исследования ионно эмиссионных свойств вакуумно-дугового Рис. 22. Ионный ток насыщения из генератора плазмы протяженного типа с плазмы в зависимости от магнитного замкнутой траекторией движения катодного поля при токе ВДР 145 А.
пятна в зависимости от индукции магнитного поля вблизи рабочей поверхности катода представлены на рис. 22. Из представленных данных следует, что увеличение индукции магнитного поля приводит к снижению ионного тока насыщения из плазмы.
Стабильное горение разряда наблюдается при индукции магнитного поля 50–100 Гс. При этом значении магнитного поля ионный ток насыщения из плазмы достигает 4 % от тока разряда. Рассмотрены различные системы формирования магнитного поля вблизи поверхности протяженного катода. В результате Рис. 23. Зависимости изменения ионного оптимизации конструкции магнитопровода тока насыщения на коллектор (Iк) от тока по электродам ПФ (Iпф) и напряжения достигнута 75 % выработка катода. смещения на электродах Очистка плазмы непрерывного ВДР от МКФ в испарителе протяженного типа реализована с использованием прямоточного электромагнитного ПФ жалюзийного типа. Конструкция ПФ представляет собой оптически непрозрачную систему прямолинейных электродов, наклоненных под углом к направлению распространения плазменного потока. На электродах ПФ формируется положительный по отношению к плазме потенциал смещения до 18 В. Электронная компонента плазменного потока замагничивается магнитным полем, формируемым при пропускании по электродам ПФ постоянного тока, изменяющегося от 400 до 700 А. Зависимости изменения ионного тока насыщения на коллектор, расположенный на выходе ПФ, при индукции магнитного поля на поверхности катода 58 и 112 Гс приведены на рис. 23.
При оптимизации топографии магнитного поля ионный ток насыщения из плазмы достигает 1,8 А, что обеспечивает необходимую эмиссионную среду для эффективной работы ионного источника.
Полученные результаты позволяют сделать Рис. 24. Распределение эквипотенциальных линий электрического поля и траектории прогноз о перспективности применения движения заряженных частиц в области предложенной конструкции протяженного формирования ионного пучка для системы с генератора плазмы не только в источнике расходящейся геометрией электродов ПФ ускоренных ионов, но и в генераторах металлической плазмы для использования в технологиях ионно-плазменного осаждения покрытий на крупногабаритные изделия.
Разработано и экспериментально исследовано несколько вариантов сеточных блоков для систем формирования аксиально симметричных и псевдоленточных ионных пучков. Для источника аксиально симметричного ионного пучка экспериментально установлено, что применение в сеточном блоке системы перемещающихся проводников снимает Рис. 25. Распределение плотности тока по сечению ионного пучка при различном проблемы, связанные с нарушением ускоряющем напряжении (I = 70 A): 1) 5;
2) д юстировки сеток в результате их 10;
3) 20;
4) 30;
5) 40 кВ провисания под действием значительных тепловых нагрузок, а также с отслоением пленки, сформированной на поверхности струн в режиме генерации источником потока металлической плазмы, и обеспечивает длительную и надежную работу источника при 95% прозрачности сеточных электродов.
При формировании ионного пучка высокой средней мощности надежная и длительная работа источника достигается применением сеточной системы с постоянным натяжением струнных проводников в условиях их самоочистки (испарении и/или распылении продуктов эрозии материала катода) под воздействием ионов. Разработанные ионно-оптические системы обеспечивают стабильную работу источника в диапазоне изменения давления в вакуумном объеме от 510-2 Па для Uуск = 40 кВ до 10-1 Па для Uуск = 20 кВ.
Показано, что снижение ионного тока на выходе источника при повышении давления в вакуумном объеме преимущественно связано с процессами перезарядки ионов, а также их потерей на аноде и электродах ПФ, вследствие ухудшения условий магнитной изоляции. С учетом особенностей формирования псевдоленточного ионного пучка (периодическое изменение местоположения эмиссионной плазменной границы и периодический характер теплового воздействия на электроды извлекающей системы) разработана ионно-оптическая система источника "Радуга–6" в виде двойной сетки, образованной вольфрамовыми стержнями диаметром 1,5 мм. За счет "горячего" режима работы сеточного блока его конструкционные элементы в меньшей степени подвержены образованию и последующему отслоению пленок. Компенсация теплового расширения вольфрамовых стержней реализована за счет свободного перемещения в держателях.
Приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований основных закономерностей формирования и распространения ионного пучка при наличии в диодной системе источника ПФ жалюзийного типа. Рассматривается влияние амплитуды ускоряющего напряжения и конфигурации электродов ПФ на величину и распределение плотности ионного тока на выходе источника, рис. 24.
Экспериментально показано, что для аксиально-симметричного ионного источника характерна многопиковая форма распределения плотности тока ионов по сечению пучка, рис. 25. В тоже время, вместо пяти ярко выраженных пиков вблизи источника, с увеличением расстояния многопиковая структура в распределении плотности ионного тока сглаживается, рис.26. Из этого следует, что вблизи ионного источника формируемое распределение плотности ионного тока существенно зависит от структуры и конструкции ПФ. Установлено, что при ускоряющем напряжении 40 кВ ионный ток на выходе источника на 20 % превышает ионный ток насыщения из плазмы, измеренный на выходе ПФ в отсутствие импульсов ускоряющего напряжения.
Рис. 26. Распределение плотности тока (j) по Рис. 27. Плотность тока плазменных (1, 2) и сечению ионного пучка (R) на различном средняя плотность тока ускоренных ионов (3–5) расстоянии от источника (L): Iд = 90 А;
Uуск = 20 кВ на различном расстоянии от источника.
Наблюдаемый эффект связан с проникновением электрического поля в межэлектродные промежутки ПФ с формированием развитой эмиссионной плазменной границы. Эффект повышения ионного тока на 20%, в условиях формирования ионного пучка, по сути увеличивает эффективность прохождения плазмы в электродах ПФ.
Непрерывный режим генерации плазмы в сочетании с импульсно-периодическим а) формированием ионного пучка позволяет эффективно варьировать интенсивностью и последовательностью ионного и плазменного воздействия на мишень при изменении тока разряда, амплитуды и скважности импульсов ускоряющего напряжения, конструкции и режимов работы ПФ, расстояния от источника до мишени, рис.27. Внешний вид источников "Радуга–5" и "Радуга–6" показан на рис.28.
В пятой главе описывается физическая модель процессов формирования ускоряющего промежутка в быстро изменяющихся электрических полях вблизи поверхности, б) погруженного в плазму, потенциального электрода. В отличие от существующих Рис. 28. Внешний вид источников ионов моделей рассматривается случай, когда металлов: а) "Радуга–5", б) "Радуга–6" мишень погружена в направленный поток плазмы вакуумной дуги. Для металлических подложек нагрузка импульсного генератора потенциала смещения имеет как емкостную, так и активную составляющую. Емкостная составляющая проявляется во время переходного процесса, когда слой разделения зарядов увеличивается до стационарного состояния, определяемого законом Чайльд– Ленгмюра или фиксированного расстояния между образцами и сеточным электродом, формирующим эмиссионную границу плазмы.
Процесс формирования потока ионов из плазмы в сторону потенциального электрода при наличии между ними диэлектрической мишени имеет специфическую особенность. В данном случае формируется система типа конденсатора, обкладками которого являются с одной стороны потенциальный проводящий электрод, а с другой стороны плазма. Если диэлектрический образец полностью перекрывает потенциальный электрод, то активная составляющая нагрузки полностью исключена и процессы формирования ионного потока определяются толщиной и диэлектрической проницаемостью подложки, динамикой накопления заряда на поверхности образца, параметрами плазмы и импульса потенциала смещения. При высокой плотности плазмы процесс зарядки емкости, сформированной поверхностью диэлектрической подложки и потенциальным электродом (держателем) завершится достаточно быстро. Поэтому использование импульсов потенциала смещения длительностью, превышающей время зарядки диэлектрической поверхности, представляется не целесообразным. Таким образом, для случая использования диэлектрической мишени принципиально важным является выбор концентрации плазмы, длительности импульса потенциала смещения в зависимости от характеристик диэлектрической мишени (диэлектрическая проницаемость, толщина диэлектрика). Оптимизация совокупности данных параметров должна обеспечить условия, при которых за время действия импульса потенциала смещения не произойдет существенного уменьшения потенциала на поверхности диэлектрика.
При плазменно-иммерсионном подходе к формированию ионного потока вблизи диэлектрической мишени принципиально важным является решение вопроса о компенсации заряда на его поверхности. Если плазменный поток непрерывен во времени, то после отключения потенциала смещения между заряженной ионами поверхностью диэлектрика и плазмой появляется электрическое поле, благодаря которому из плазмы извлекаются уже не ионы, а электроны. Ток электронов и их подвижность существенно выше тока и подвижности ионов, поэтому процесс компенсации заряда на поверхности диэлектрика будет происходить почти мгновенно. Оценки показывают, что время компенсации заряда не будет превышать нескольких наносекунд. Время компенсации играет важную роль, поскольку фактически определяет допустимый фактор заполнения импульсов. Использование импульса потенциала смещения микросекундной длительности и паузы наносекундного диапазона позволяет увеличить коэффициент заполнения импульсов практически до единицы. С другой стороны, это означает, что для больших значений f1 (где f – частота следования импульсов смещения, – длительность импульса потенциала смещения) может быть реализован не только режим осаждения плазмы, но и режимы традиционной и высококонцентрационной ионной имплантации.
Описан метод короткоимпульсной высокочастотной, с коэффициентом заполнения импульсов от 0,1 до 0,9, плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов в условиях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы (КВПИ3ОП).
В предложенном методе предполагается, что использование коротких по длительности потенциалов смещения должно быть совмещено с высокой частотой следования импульсов. Это определяется, прежде всего, необходимостью разработки высокопроизводительных и высокотемпературных технологий ионно лучевой и плазменной обработки материалов с использованием как газовой, так и металлической плазмы. В случае применения Рис. 29. Осциллограммы импульсов тока, металлической плазмы выбор частоты измеренные на выходе трубы дрейфа, Uуск = – 0,5 кВ.
следования импульсов при фиксированной длительности будет определяться не только необходимостью компенсации заряда на поверхности диэлектрика, но и выбором метода ионной и плазменной обработки материалов. Высокочастотный режим формирования импульсов потенциала смещения имеет еще одно важное преимущество. В случае, когда время паузы будет много меньше времени заполнения плазмой ускоряющего зазора после окончания импульса потенциала смещения, каждый последующий импульс будет быстро приводить к восстановлению ускоряющего зазора. Это означает, что энергия извлекаемых из плазмы ионов будет приближаться к энергии ионов, прошедших максимальную разность потенциалов.
На рис. 29 представлены результаты исследования динамики изменения импульсов тока ионов Ti на выходе плазменно-иммерсионного времяпролетного спектрометра, полученные при длительностях импульса потенциала смещения 100–1100 нс. При малой длительности импульса напряжения ионы, проходя ускоряющий зазор, приобретают энергию меньшую, чем произведение амплитуды ускоряющего напряжения и заряда иона. Увеличение длительности импульса приводит к повышению амплитуды сигнала всех пиков и меньшему смещению максимума вправо. Это означает, что расширение зазора приближается к его стационарному состоянию, определяемому законом Чайльд Ленгмюра. Данные по ионному току, соответствующие длительности импульса 400 и 450 нс, свидетельствуют о том, что формирование зазора практически закончено и положение максимума пика почти не меняется. Ионы, пересекающие ускоряющий зазор после стабилизации эмиссионной границы, ускоряются в установившемся электрическом поле и приобретают полную энергию, формируя пик, соответствующий приложенной к промежутку разности потенциалов. Следовательно, энергетические спектры ионов могут быть использованы для определения времени стабилизации ионно эмиссионной границы плазмы, соответствующего началу формирования ионного потока с максимальной энергией ионов.
Результаты исследований показали, что динамическое формирование слоя разделения зарядов (ускоряющего зазора) оказывается достаточно длительным процессом и составляет сотни наносекунд. Это означает, что для технологических применений нет необходимости использования высокочастотных, короткоимпульсных генераторов с крутыми фронтами импульса. Наличие фронта импульса, составляющего даже несколько сотен наносекунд, приведет только к увеличению полиэнергетичности ионов в потоке, но принципиально не изменит динамику его формирования. В то же время, наличие крутого переднего фронта импульса потенциала смещения приводит к значительным по амплитуде емкостным токам электронного смещения, что требует применения более сильноточных генераторов импульсов и снижает энергетическую эффективность.
Анализ осциллограмм тока в цепи потенциала смещения, зарегистрированных при изменении концентрации плазмы от 109 до 6·109 ион/см3 на образцах из Cu, Al, нержавеющей стали, даже без предварительной очистки их поверхности от загрязнений и диэлектрических включений, не выявил всплесков тока, характерных для пробойных явлений при потенциале смещения до –4 кВ. Таким образом, применение режимов короткоимпульсного, высокочастотного, плазменно иммерсионного формирования ионного потока позволяет использовать высокие по амплитуде потенциалы смещения, исключить появление катодных пятен на поверхности металлов, даже загрязненных, и при выполнении определенных условий реализовать режимы, при которых энергия ионов будет определяться полной амплитудой ускоряющего потенциала смещения.
Экспериментальная схема для исследования условий плазменно- Рис. 30. Схема экспериментального стенда:1 – иммерсионного формирования ионного источник короткоимпульсного потенциала быстроизменяющихся смещения, 2 – активный делитель, 3 – пояс потока в Роговского, 4 – экран, 5 – потенциальный электрических полях вблизи электрод, 6 – диэлектрическая мишень, 7 – диэлектрических мишеней приведена на потенциометр, 8 – ЭДИ с ПФ, 9 – система рис. 30. На рис. 31 приведены питания ЭДИ и ПФ осциллограммы импульсов потенциала смещения, измеренного на поверхности мишени из ситала и стекла при различной концентрации плазмы, а также тока на керамической мишени.
Рис. 31. Осциллограммы импульсов потенциала на поверхности мишени из ситала (а) и стекла (с) и тока на керамическую мишень (б): 1 – 41015 ион/м-3, 2 – 1015 ион/м-3, 3 – ХХ.Развертка 2 мкс/дел: а) 400 В/дел;
б) 0,2 А/дел.
В случае применения диэлектрических мишеней ускоряющее ионы напряжение определяется разностью приложенного потенциала смещения и потенциала на поверхности диэлектрика, динамически изменяющегося в зависимости от характеристик диэлектрика (толщина и диэлектрическая проницаемость), ионного тока, тока электронного смещения и тока вторичной ионно-электронной эмиссии.
Экспериментально показана возможность компенсации ионного заряда на поверхности диэлектрика при использовании биполярных потенциалов смещения. В целом, техническая реализация предложенного подхода по применению биполярных импульсов для формирования потока ускоренных ионов вблизи поверхности погруженной в плазму мишени с различной проводимостью представляется более простой по сравнению с однополярными импульсами потенциала смещения. При этом нейтрализация заряда на поверхности диэлектрика реализуется более эффективно при подаче на неё дополнительного положительного потенциала смещения. Дополнительный технологический эффект от применения биполярных потенциалов смещения видится в возможности эффективного нагрева обрабатываемой поверхности перед и во время проведения ионно-плазменной обработки изделий.
На рис. 32 представлена диаграмма, jx, Ac/м отражающая область применимости метода короткоимпульсной плазменно иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий для обработки диэлектрических материалов при концентрации плазмы от 108 до см-3. Поверхность определяет режим, при котором средняя энергия ускоренных - ионов достигает половины произведения,м /d амплитуды ускоряющего напряжения на заряд иона. Область большей эффективности лежит под поверхностью, Рис. 32. Область применимости метода КВПИ ОП при обработке диэлектрических мишеней положение которой определяется с одной стороны произведением плотности ионного тока из плазмы на длительность импульса ускоряющего напряжения, с другой стороны, отношением диэлектрической проницаемости мишени к её толщине, а также амплитудой потенциала смещения.
Предложенный метод может быть реализован с использованием высококонцентрационной плазмы, позволяющей извлекать ионный ток с плотностью в десятки и сотни А/см2 при длительности импульса в десятки или сотни наносекунд. В случае использования плазмы с низкой концентрацией, обеспечивающей ионный ток плотностью в доли миллиампер, длительность импульса потенциала смещения может быть увеличена до десятков и сотен микросекунд без потери эффективности его использования.
В экспериментах с абляционной плазмой, полученной распылением Ti мишени высокоинтенсивным ионным пучком с плотностью тока 300 А/см2 при энергии ионов водорода и углерода до 350 кэВ и длительности импульса 90 нс, показано, что для увеличения адгезионной прочности осаждаемого покрытия должны использоваться импульсы потенциала смещения с длительностью, не превышающей 500 нс, обеспечивающей возможность применения потенциала с амплитудой до –4 кВ при существенном снижении вероятности взрывоэмиссионных процессов на поверхности мишени.
Шестая глава посвящена созданию современных технологических комплексов для реализации широкого круга комбинированных технологий на основе предложенных в работе методов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов и оборудования по генерации очищенной от МКФ плазмы ВДР и источников ионов проводящих материалов. Определены технологические возможности и области применимости оборудования.
В первом параграфе главы рассмотрена конструкция комплексной установки "Радуга–5С", предназначенной для реализации комбинированных режимов ионной имплантации и осаждения покрытий из плазмы непрерывного ВДР, рис. 33.
Установка включает вакуумный пост, источник ускоренных ионов и плазмы на основе непрерывной вакуумной дуги "Радуга–5" и три вакуумно-дуговых генератора плазмы, оснащенных устройствами фильтрации от МКФ. Установка позволяет формировать в последовательном или совмещенном режиме пучки ионов проводящих материалов с током до 2 А при ускоряющем напряжении до 40 кВ с длительностью до 400 мкс и с частотой генерации до 200 имп/с, а также потоки плазмы проводящих материалов.
С использованием установки "Радуга–5С" реализованы режимы высокоинтенсивной и высококонцентрационной ионной имплантации с формированием интерметаллидных систем AlNi, AlTi, TiNi, AlFe на глубине до 2,6 мкм с достижением дозы внедренной примеси до 3,6·1018 ион/см2 при дозе облучения 2,2·1018 ион/см2, рис. 34 и 35. Высокие концентрации легирующей примеси, достигнуты в условиях высококонцентрационной ионной имплантации. Этот режим реализуется в условиях, когда ионное распыление поверхности компенсируется осаждением металлической плазмы между импульсами ускоряющего напряжения. В результате внедрения атомов имплантируемого материала с поверхности вглубь мишени в виде атомов отдачи доза внедренной Рис. 33. Внешний вид установки "Радуга–5С" примеси может превышать дозу облучения. Исследования структурно-фазового состояния ионно-легированных слоев, выполненные сотрудниками ГОУ ВПО "Томский государственный архитектурно-строительный университет" и Института физики прочности и материаловедения СО РАН показали, что в результате ионной обработки в поверхностных слоях всех трех металлов формируются мелкодисперсные выделения систем NiАl, ТiА1 и FеА14. Для сформированных систем экспериментально подтверждено улучшение ряда физико-механических свойств поверхностных слоев материалов, включая повышение твердости, износостойкости, снижение коэффициента трения, рис. 36, 37.
Технологические возможности установки "Радуга–5С" по формированию покрытий в комбинированном режиме ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки реализованы для системы TiSiB. Для нанесения покрытия были использованы источник ионов и плазмы "Радуга–5", электродуговой испаритель, оснащенный электромагнитным аксиально-симметричным ПФ и короткоимпульсный высокочастотный источник напряжения смещения.
Ryabchikov A.I., Nasyrov R.A. Repetitively pulsed, high-concentration implantation // Nucl. Instr. and Meth.
in Phys. Res. – 1991. – V. 61. P. 4852.
Kurzina I.A., Kozlov E.V., Sharkeev Yu.P., Ryabchikov A.I., Stepanov I.B., Bozhko I.A., Kalashnikov M.P., Sivin D.O., Fortuna S.V. Influence of ion implantation on nanoscale intermetallic-phase formation in Ti–Al, Ni– Al and Ni–Ti systems // Surface and Coating Technology. – 2007. – V. 201. – P. 84638468.
Рис. 34. Распределение концентрации элементов Рис. 35. Изменение дозы облучения и по глубине Ti мишени при имплантации ионами интегральной дозы внедренных атомов от Al: Средняя энергия ионов 40 кэВ, время времени ионной имплантации (1, 2) для обработки 125 мин., доза внедренной примеси системы AlTi и расстояния до выхода 3,61018 ион/см2 ионного источника (3, 4) для системы TiNi Рис. 36. Изменение нанотвердости по глубине Рис. 37. Изменение интенсивности износа и исходных Ti и Ni мишеней и ионно-легированных коэффициента трения интерметаллидных систем и мишеней из Ti и Ni в зависимости от температуры слоев систем AlTi и TiNi Образцы были подвергнуты воздействию пучка ионов Ti с плотностью тока 10 мА/см2, средней энергией 40 кэВ, длительностью 400 мкс, формируемого с частотой 200 имп/с в условиях высокочастотного формирования на мишени короткоимпульсных потенциалов смещения амплитудой до 700 В, с последующим снижением потенциала и переходом в режим осаждения покрытия из плазмы вакуумной дуги, генерируемой Рис. 38. Профили распределения элементов по глубине мишени и толщине TiSiB покрытия электродуговым испарителем с катодом TiSiB. На серии пластин из титановых сплавов было сформировано покрытие толщиной от 5 до 10 мкм с шириной переходного слоя "подложка–покрытие" до 2 мкм, рис. 38.
Исследования микроструктуры и эксплуатационных свойств TiSiB покрытия, выполненные в сотрудничестве с ВИАМ и МАИ (г. Москва) показали, что при толщине покрытия 5 мкм структурные изменения поверхностного слоя, с формированием аморфной фазы, наблюдаются на глубину до 25 мкм от поверхности мишени. Сформированное в режиме комбинированной ионно-лучевой и ионно плазменной обработки покрытие на основе системы TiSiB обладает комплексом свойств, уровень которых существенно превышает характеристики исходного материала. Так, например, эрозионная стойкость TiSiB покрытия на образце из сплава ВТ6 в 4 раза превосходит стойкость исходного образца, наблюдается существенное повышение усталостной прочности при циклическом нагружении, до 20 раз зарегистрировано повышение сопротивления солевой коррозии.
Второй параграф главы посвящен разработке комплексной установки для реализации комбинированных режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов, включающей импульсно-периодический источник ионов и плазмы проводящих материалов "Радуга–5", четыре аксиально-симметричных электродуговых испарителя с электромагнитными ПФ жалюзийного типа, генератор газовой плазмы с накаленным катодом "ПИНК", среднечастотную дуальную магнетронную распылительную систему, короткоимпульсный высокочастотный генератор напряжения смещения, рис. 39.
Установка обеспечивает генерацию с частотой до 200 имп/с длинноимпульсных (до 400 мкс) пучков ионов проводящих материалов с током до 2 А при ускоряющем напряжении 20 и 40 кВ и короткоимпульсных (1–10 мкс) газометаллических ионных потоков при напряжении до 4 кВ с током до 20 А при частоте генерации импульсов до 105 и Рис. 39. Внешний вид установки коэффициентом заполнения до 0,9. Технологические возможности установки обеспечивают совместную работу всего электрофизического оборудования в диапазоне давления 10-2–5·10-1 Па. Последовательная и (или) совместная генерация ионных пучков и плазменных потоков обеспечивает реализацию режимов очистки и активации поверхности материалов, высокоинтенсивной и высококонцентрационной ионной имплантации, формирования широких переходных слоев между основой и покрытием, нанесения покрытий в условиях интенсивного ионного перемешивания на проводящих и диэлектрических материалах.
Принципиально новые возможности для реализации комбинированных режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов предоставляет метод высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий. Например, применение коротких по длительности потенциалов смещения многократно снижает вероятность инициирования микродуговых процессов на поверхности обрабатываемых изделий, в том числе при многократном (до нескольких кВ) повышении потенциала смещения на изделии по сравнению с "традиционными" технологиями.
Дополнительные преимущества метода связаны с возможностью, при определенной концентрации плазмы, осуществлять эффективную обработку изделий сложной геометрической формы и изделий с различной проводимостью, включая диэлектрики в широком диапазоне изменения плотности ионного тока из плазмы, рис.40.
Технологические преимущества установки связаны с возможностью адаптации комплекса к реализации различных технологических задач и его оперативной модернизации. Например, конструкция вакуумной камеры обеспечивает возможность быстрого изменения конфигурации входящего в состав комплекса оборудования путем замены съемных стенок. Это позволяет увеличить число используемых электродуговых испарителей до 8 шт., или Рис. 40. Области реализации режимов четырех МРС. В частности, универсальное обработки материалов с использованием крепление генераторов плазмы метода КВПИ3ОП предоставляет возможность адаптации установки для обработки крупногабаритных изделий или формирования многокомпонентных покрытий с катодами различного элементного состава.
Режимы энергетического воздействия на материалы, реализуемые с использованием комплексной установки, приведены на рис. 41. В зависимости от способа формирования ионов их энергия, с учетом зарядового состояния, может изменяться от нескольких десятых до 160 кэВ и достигать при плотности ионного тока 10 мА/см2 средней плотности мощности до 36 Вт/см2. При этом для плазменно иммерсионного режима формирования ионного потока отношение плотности тока насыщения ионов из плазмы и плотности тока ускоренных ионов, в зависимости от коэффициента заполнения импульсов, может изменяться от 0,1 до 0,9. В случае формирования ионного пучка в источнике "Радуга–5" соотношение плазменных и ускоренных ионов может изменяться и за счет расстояния от источника до мишени и составлять, например, на расстоянии 80 см от его выхода от 3,2 до 0,15, в зависимости от коэффициента заполнения импульсов.