Устройство ускорения микро- и наноразмерных частиц

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО УСКОРЕНИЯ МИКРОИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Могилевский государственный университет имени А.А.Кулешова(72) Авторы Филатова Ирина Ивановна Трухачв Федор Михайлович Ажаронок Виктор Васильевич Чубрик Николай Иванович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Могилевский государственный университет имени А.А.Кулешова(57) Устройство ускорения микро- и наноразмерных частиц, содержащее вакуумную камеру, в которой расположены два охлаждаемых системой охлаждения электрода верхний электрод, который электрически связан с генератором плазмы и источником питания постоянного тока, и нижний заземленный электрод, на котором расположены звуковой излучатель и пылевые частицы, при этом в вакуумной камере на противоположных торцевых стенках размещены кварцевые окна, а в одну из торцевых стен вмонтирована система напуска рабочего газа и откачки, отличающееся тем, что верхний электрод подключен через электрический переключатель или к генератору плазмы, или к источнику питания постоянного тока.(56) 1.,/ . . . 75, 947, 2004 ///10.1063/1.1688441. 2.,,//. - 2011. - . 37. - .12. . 1042-1046. Полезная модель относится к ускорителям микро- и наноразмерных частиц с применением плазменных технологий и может быть использована для ускорения заряженных пылевых частиц микронного и субмикронного размеров в процессах получения наноструктурных покрытий, тонкопленочных материалов с заданными свойствами для микрои наноустройств (микро- и наносенсоров), очистки плазменных реакторов, сепарации частиц по размерам и зарядам, создания новых систем лазерной печати и др. Известно устройство ускорения пылевых частиц, в котором на пылевую плазму, возбуждаемую на частоте 13,56 МГц при низком давлении в аргоне, накладываются внешние электрическое и магнитное поля 1. Электрическое поле используется для ускорения частиц, магнитное - для удержания плазмы. Приложенное внешнее импульсное напряжение служит для инициирования высоковольтных пятен на катоде, которые обеспечивают процесс ускорения заряженных в плазме частиц, располагающихся непосредственно на упомянутом электроде. Величина и конфигурация магнитного поля подбираются таким образом, чтобы электроны и ионы плазмы были замагничены и не могли покинуть разрядную камеру. Пылевые частицы микронного и субмикронного размеров слабо удерживаются магнитным полем и, ускоряясь посредством формирующихся под действием внешнего электрического поля катодных пятен, покидают плазменный объем. Устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, ускоряющее электрическое поле прикладывается к плазме, что приводит к нежелательным последствиям, связанным с его экранировкой плазмой, снижающей эффективность ускорения частиц, и влиянием прикладываемого электрического поля на параметры плазмы, уменьшающим диапазон энергий ускоренных частиц. Во-вторых, в магнитном поле происходит сепарация частиц по скоростям, зарядам и массам, что может явиться негативным фактором в технологии создания композиционных покрытий, имеющих сложную структуру. В-третьих, формирование катодных пятен вызывает эрозию электрода и может способствовать нежелательному изменению состава ускоряемых частиц за счет появления частиц материала электрода. Кроме того, использование магнитных систем требует наличия соответствующих устройств экранировки электрооборудования и персонала. Задачей является создание устройства ускорения микро- и наноразмерных частиц, сохраняющих остаточный электрический заряд в послесвечении пылевой плазмы, под воздействием ускоряющего электрического поля, создаваемого внешним источником постоянного тока, в отсутствие влияния на динамику ускоряемых частиц магнитного поля и возбуждаемой пылевой плазмы. Устройство ускорения микро- и наноразмерных частиц, содержащее вакуумную камеру, в которой расположены два охлаждаемых системой охлаждения электрода верхний электрод, который электрически связан с генератором плазмы и источником питания постоянного тока, и нижний заземленный электрод, на котором расположены звуковой излучатель и пылевые частицы, при этом в вакуумной камере на противоположных торцевых стенках размещены кварцевые окна, а в одну из торцевых стен вмонтирована система напуска рабочего газа и откачки, верхний электрод подключен через электрический переключатель или к генератору плазмы, или к источнику питания постоянного тока. Техническим результатом является возможность создания в разрядном промежутке предлагаемого устройства пылевой плазмы, в которой микро- и наноразмерные пылевые 2 87202012.10.30 частицы приобретают отрицательный заряд величиной от 100 до 10000 , частично сохраняющийся после распада плазмы в результате резкого отключения генератора плазмы на уровне (1-10) , что позволяет ускорить пылевые частицы во внешнем электрическом поле, исключив явление плазменного экранирования. Важным преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с устройством 1 является разделение процессов зарядки пылевых частиц, происходящей в плазме, и их ускорения электрическим полем в отсутствие плазмы. Предлагаемое устройство ускорения микро- и наноразмерных частиц схематически представлено на фигурах. Устройство состоит из вакуумной камеры 1, в которой расположены два охлаждаемых металлических электрода верхний электрод 2 и нижний заземленный электрод 3. Верхний электрод 2 электрически связан с генератором плазмы 7 и источником питания постоянного тока 8. Электрический переключатель 9 служит для подключения верхнего электрода 2 или к генератору плазмы 7, или к источнику питания постоянного тока 8. Нанижнем заземленном электроде 3 расположен звуковой излучатель 5, на который помещены пылевые частицы 6. В вакуумной камере 1 на противоположных торцевых стенках размещены кварцевые окна 4. В одну из торцевых стен вакуумной камеры 1 вмонтирована система напуска рабочего газа и откачки (позиция не указана). Устройство также содержит систему охлаждения электродов проточной водой (позиция не указана). Фиг. 1 иллюстрирует фазу работы устройства, соответствующую моменту создания пылевой плазмы между верхним электродом 2 и нижним заземленным электродом 3 при инжекции пылевых частиц 6 в плазму с образованием упорядоченной пылевой структуры. Фиг. 2 отображает фазу послесвечения плазмы при отключении генератора плазмы 7 и подаче на верхний электрод 2 напряжения от источника питания постоянного тока 8. Работает устройство следующим образом. Вакуумная камера 1 вакуумируется и заполняется рабочим газом до нужного давления, включается генератор плазмы 7 и зажигается ВЧ разряд. Затем включается звуковой излучатель 5, с помощью которого пылевые частицы 6 инжектируются в плазму, приобретая отрицательный заряд, и образуют упорядоченные структуры в плазменном объеме(фиг. 1). Контроль динамики пылевых частиц осуществляется через кварцевые окна 4. С помощью переключателя 9 верхний электрод 2 отключается от генератора плазмы 7 и подключается к источнику питания постоянного тока 8. В результате этого пылевая плазма распадается, а пылевые частицы 6 микронного и субмикронного размеров, сохранившие после распада плазмы некоторый остаточный заряд, величина которого определяется их размерами и давлением буферного газа, ускоряются в выбранном направлении электрическим полем, создаваемым источником питания постоянного тока 8 (фиг. 2). Ускоряющее электрическое поле, создаваемое источником питания постоянного тока 8, может быть однородным или иметь сложную конфигурацию, но его величина не должна превышать напряжение пробоя для заданных условий. В примере реализации устройства использовался высокочастотный (ВЧ) емкостной разряд низкого давления 2. Разряд возбуждался на частоте 5,28 МГц между двумя охлаждаемыми электродами верхним электродом 2 и нижним заземленным электродом 3, которые изготовлены из алюминия, диаметром 120 мм, расположены в вакуумной камере 1 на расстоянии 21 мм друг от друга. В качестве плазмообразующего газа использовали атмосферный воздух при давлении 100 Па. Удельный энерговклад в разряд составлял 0,5 Вт/см 3. В условиях эксперимента концентрация электронов, электронная и ионная температуры составляли соответственно 108 см 3,2 эВ и 0,03 эВ. Пылевые частицы из 23 (радиусом 100 и 250 нм) помещали перед откачкой вакуумной камеры 1 на расположенный на нижнем заземленном электроде 3 звуковой излучатель 5, используемый для инжекции частиц в плазменный объем. Для исключения влияния на движение частиц термофоретической силы, возникающей при ненулевых градиентах температуры,3 87202012.10.30 электроды охлаждались с помощью системы охлаждения. В плазме ВЧ разряда пылевые частицы приобретали отрицательный заряд и левитировали вблизи нижнего заземленного электрода 3, формируя слои, отстоящие от него на расстояние, определяемое размером частиц. После резкого выключения генератора плазмы 7 слои распадались под действием силы тяжести в течение нескольких секунд. Сила трения о нейтральный газ замедляла этот процесс. Пылевые частицы после распада плазмы имели остаточный отрицательный заряд, составлявший - 1 и - 10 для частиц размером 100 нм и 250 нм соответственно. Остаточный заряд зависел от размера частиц, давления рабочего газа и прочих экспериментальных условий. Для ускорения пылевых частиц на верхний электрод 2 при помощи электрического переключателя 9 вместо ВЧ напряжения от генератора плазмы 7 подавали постоянное напряжение от стабилизированного источника питания постоянного тока 8. Величина ускоряющего напряжения ограничена сверху напряжением пробоя, определяемым в первую очередь давлением нейтрального газа (в рассматриваемом случае напряжение пробоя составляло примерно 200 В). На фиг. 3 показана схема движения пылевых частиц после выключения генератора плазмы 7 в ускоряющем электрическом поле. Динамические параметры ускоряемых пылевых частиц определяются из уравнения баланса сил 4(1). Здесьи- масса и ускорение пылевой частицы, , ,- сила тяжести, сила трения о нейтральный газ и электрическая сила, действующая на пылевую частицу в ускоряющем электрическом поле, соответственно (фиг. 3). С использованием уравнения(1) скорость движения пылевых частицможно оценить по формуле 3 34(2) 2 2(8) Величина постоянного положительного потенциала в примере реализации составляла 37 В, что соответствовало напряженности электрического поля между верхним электродом 2 и нижним заземленным электродом 31760 В/м. При этом скорость движения частиц в направлении верхнего электрода составляла 2 мм/с. Значение скоростив соответствии с (2) может быть увеличено при увеличении . Устройство ускорения микро- и наночастиц предназначено для создания нано- и микроструктурных покрытий. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4