vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-3-285-291vestift-612Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYПлазменный источник заряженных частиц для формирования совмещенных ионно-электронных пучковPlasma source of charged particles for the formation of combined ion-electron beamsАнтоновичД. А.AntonovichD. A.

Антонович Дмитрий Анатольевич – кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой энергетики и электроники

ул. Блохина, 30, 211440, Новополоцк, Витебская обл.

Dmitry A. Antonovich – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Energy and Electronics

30, Blokhin Str., 211440, Novopolotsk, Vitebsk Region

d.antonovich@psu.byГруздевВ. А.GruzdevV. A.

Груздев Владимир Алексеевич – доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики

ул. Блохина, 30, 211440, Новополоцк, Витебская обл.

Vladimir A. Gruzdev – D. Sc. (Engineering), Professor, Professor of the Department of Physics

30, Blokhin Str., 211440, Novopolotsk, Vitebsk Region

v.gruzdev@psu.byЗалесскийВ. Г.ZalesskiV. G.

Залесский Виталий Геннадьевич – доктор физико-математических наук, доцент, директор

ул. Академика Купревича, 10, 220141, Минск

Vitali G. Zalesski – D. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Director 

10, Academician Kuprevich Str., 220141, Minsk

V.Zalesski@mail.ruСолдатенкоП. Н.SoldatenkoP. N.

Солдатенко Павел Николаевич – старший преподаватель кафедры физики

ул. Блохина, 30, 211440, Новополоцк, Витебская обл. 

Pavel N. Soldatenko – Senior Lecturer, Department of Physics

30, Blokhin Str., 211440, Novopolotsk, Vitebsk Region

p.soldatenko@psu.byПолоцкий государственный университетPolotsk State UniversityФизико-технический институт Национальной академии наук Беларуси,Physical-Technical Iinstitute of the National Academy of Sciences of Belarus202020102020653285291Copyright © Антонович Д.А., Груздев В.А., Залесский В.Г., Солдатенко П.Н., 20202020Антонович Д.А., Груздев В.А., Залесский В.Г., Солдатенко П.Н.Antonovich D.A., Gruzdev V.A., Zalesski V.G., Soldatenko P.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/612

Одним из способов повышения эффективности реализации ионно-плазменных технологий воздействия на поверхности различных материалов является частичная или полная компенсация положительного заряда ионов в потоке или на обрабатываемой поверхности, для чего используются дополнительные эмитирующие системы, которые создают компенсирующие электронные потоки в разрядное пространство, ускоряющий промежуток или на обрабатываемую поверхность. Для реализации такого компенсирующего воздействия возможно применение плазменных источников заряженных частиц, способных при изменении полярности ускоряющего напряжения формировать пучки обоих знаков. Основная проблема при этом заключается в сложности достижения одновременно высокой эффективности эмиссии ионов и электронов, поскольку условия их эмиссии из плазмы существенно различаются. В данной статье предложена концепция и разработанная на ее основе конструкция макета мультиразрядного плазменного электронно-ионного источника для совместного или попеременного формирования электронных и ионных пучков. Показано, что в предложенной конструкции реализуется возможность повышения первеанса за счет компенсации объемного заряда частицами противоположного знака. Приведен ряд характеристик разработанного макета плазменного электронно-ионного источника (вольтамперные характеристики извлечения электронов и ионов) и показана его перспективность для дальнейшей разработки на его основе электронно-ионного источника для промышленного применения. Совмещенные или попеременные ионно-электронные пучки, формируемые в представленном источнике, могут быть использованы при реализации технологий нанесения тонкопленочных слоев металлов, полупроводников и диэлектриков для поддержания процессов ионизации и обеспечения устойчивого горения разряда, компенсации как объемного заряда в пучке, так и поверхностного на формируемой пленке.

One of the ways to increase the efficiency of the implementation of ion-plasma technologies of exposure to the surfaces of various materials is partial or full compensation of the positive charge of ions in the stream or on the treated surface, for which additional emitting systems are used that create compensating electron flows in the discharge space, accelerating gap or on the processed surface. It was previously shown that for the implementation of such a compensating effect, it is possible to use plasma sources of charged particles, capable of forming beams of both signs when the polarity of the accelerating voltage is changed. The main problem in this case is the difficulty in achieving simultaneously high emission efficiency of ions and electrons, since the conditions for their emission from plasma are significantly different. This article proposes a concept and a design developed on its basis for a prototype of a multi-discharge plasma electron-ion source for the joint or alternating formation of electron and ion beams. It is shown that the proposed design realizes the possibility of increasing the perveance by compensating for the space charge by particles of the opposite sign. A number of characteristics of the developed model of a plasma electron-ion source (current-voltage characteristics of the extraction of electrons and ions) are presented and its prospects for further development of an electron-ion source for industrial use on its basis are shown. Combined or alternating ion-electron beams formed in the presented source can be used to implement the technology of applying thin-film layers of metals, semiconductors, and dielectrics to maintain ionization processes and ensure stable discharge burning, compensation of both the space charge in the beam and the surface charge on the formed film.

плазменный источник заряженных частицэлектронно-ионное воздействиеэлектронные пучкикомпенсированные ионные пучкиplasma source of charged particleselectron-ion influenceelectron beamscompensated ion beamsReferencesФизика и технология плазменных эмиссионных систем / под общ. ред. В.Т. Барченко. – СПб.: Изд-во С.‑Петерб. гос. электротехн. ун-та «ЛЭТИ», 2014. – 286 с.Barchenko V. T., ed. Physics and Technology of Plasma Emission Systems. St.-Petersburg, Publ. House of SPbGETU “LETI”, 2014. 286 p. (in Russian).Кузьмичёв, А.И. Магнетронные распылительные системы / А.И. Кузьмичёв. – Киев: Аверс, 2008. – Кн. 1: Введение в физику и технику магнетронного распыления. – 244 с.Kuzmichyov A. I. Magnetron Sputtering Systems. Book 1. Introduction to the Physics and Technology of Magnetron Sputtering. Kiev, Avers Publ., 2008. 244 p. (in Russian).Окс, Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения / Е.М. Окс. – Томск: Изд-во науч.-техн. лит., 2005. – 216 с.Oks E. M. Sources of Electrons with a Plasma Cathode. Tomsk, Scientific and Technical Literature Publ. House, 2005. 216 p. (in Russian).Universal plasma electron source / V.A. Gruzdev [et al.] // Vacuum. – 2005. – Vol. 77, iss. 4. – P. 399–405. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2004.05.007Gruzdev V. A., Zaleski V. G., Antonovich D. A., Golubev Y. P. Universal plasma electron source. Vacuum, 2005, vol. 77, iss. 4, pp. 399–405. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2004.05.007Крейндель, Ю.Е. Плазменные источники электронов / Ю.Е. Крейндель. – М.: Атомиздат, 1977. – 144 с.Kreindel’ Yu. E. Plasma Electron Sources. Moscow, Atomizdat Publ., 1977. 144 p. (in Russian).Ремпе, Н.Г. Промышленное применение электронных пушек с плазменным катодом / Н.Г. Ремпе // Плазменная эмиссионная электроника: тр. II Междунар. Крейнделевского семинара, г. Улан-Удэ, 17–24 июня 2006 г. – Улан-Удэ: Изд-во Бурят. науч. центра СО РАН, 2006. – С. 108–112.Rempe N. G. Industrial application of electron guns with a plasma cathode. Plazmennaya emissionnaya elektronika: trudy II Mezhdunarodnogo Kreindelevskogo seminara, g. Ulan-Ude, 17–24 iyunya 2006 g. [Plasma Emission Electronics: Proceedings of the International Krendel Seminar, Ulan-Ude, June 17–24, 2006]. Ulan-Ude, Publ. House of the Buryat Scientific Center of the SB RAS, 2006, pp. 108–112 (in Russian).Plasma emission systems for electron and ion-beams technologies / D.A. Antonovich [et al.] // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2017. – Vol. 21, iss. 2. – P. 143–159. https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2017024672Plasma emission systems for electron and ion-beams technologies / D. A. Antonovich [et al.] // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2017. – Vol. 21, iss. 2. – P. 143–159. https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2017024672Бугаев, С.П. Электронные пучки большого сечения / С.П. Бугаев, Ю.Е. Крейндель, П.М. Щанин. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 112 с.Bugaev S. P., Kreindel’ Yu. E., Shchanin P. M. Large-Section Electron Beams. Moskow, Energoatomizdat Publ., 1984. 112 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.