ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

УДК: 533.9.082.74

17-я Международная конференция

«Газоразрядная плазма и ее применения»

Екатеринбург, Россия, 8-12 сентября 2025

Исследование массзарядового состава дугового
источника ионов электромагнитным методом

А.С. Бугаев, В.И. Гушенец, Е.М. Окс

Институт сильноточной электроники СО РАН
634055, г. Томск, пр. Академический, 2/3

Статья поступила в редакцию 2 октября 2025 г.

Аннотация. Представлено описание модифицированного электроэрозионного генератора плазмы на основе вакуумного дугового разряда, широко используемого в науке и технике для синтеза металлических покрытий, получения интенсивных пучков ионов металлов, в электроразрядных двигателях малых космических аппаратов и др. устройствах. Для повышения эффективности плазмогенератора (увеличения выхода ионов) в качестве одного из его элементов использована плазмооптическая система типа цилиндрической плазменной линзы. Проведены исследования элементного и зарядового состава пучка ионов, извлекаемых из плазмы вакуумного дугового разряда с медным катодом, возбуждаемого пробоем по поверхности алундовой керамики Al₂O₃, а также политетрафторэтилена (−C₂F₄−)_n. Результаты по масс-зарядовому составу ионного пучка были получены с использованием магнитного сепаратора на основе секторного электромагнита. Этот метод исследования, позволяет получать данные об эволюции составляющих пучка ионов с высоким временным разрешением прямыми измерениями сигнала с коллектора сепаратора. Установлено, что в варианте генератора плазмы с политетрафторэтиленом, содержание ионов углерода и фтора в сильной степени зависит от разрядного тока. При токах дугового разряда менее 70 А, суммарное содержание ионов этих элементов составляет величину не более 15 % от ионов меди. Изучено влияние напряжения на электродах плазменной линзы и её магнитного поля на масс-зарядовый состав ионного пучка и его временную эволюцию для плазмогенератора с инициированием дугового разряда пробоем по поверхности керамики.

Ключевые слова: вакуумная дуга, источник ионов, генератор плазмы, секторный электромагнит, плазменная линза, многозарядные ионы.

Финансирование: Исследования поддержаны в рамках государственного задания ИСЭ СО РАН, проект FWRM-2021-0006.

Автор для переписки: Гушенец Василий Иванович, gvi@opee.hcei.tsc.ru

Литература

1. Oks E., Brown I. (ed.). Emerging applications of vacuum-arc-produced plasma, ion and electron beams // Dordrecht: Springer Dordrecht – 2003. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0277-6

2. Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П. Электрические ракетные двигатели // М.: Машиностроение– 1975.

3. Antropov N. N. et al. Development of Russian next-generation ablative pulsed plasma thrusters // Procedia engineering. – 2017. – V. 185. – P. 53-60. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.291

4. Gilmour A. S., Hope R. F., Miller R. N. 10 kHz Vacuum Arc Switch Ignition // IEEE 14th Puls. Pwr. Symp. – 1980. – P. 80-84.

5. Gilmour A. S., Lockwood D. L. Pulsed metallic-plasma generators // Proceedings of the IEEE. – 1972. – V. 60. – № 8. – P. 977-991. https://doi.org/10.1109/proc.1972.8821

6. Bostick W. H., Byfield H. A High Efficiency Plasma Motor // XIth International Astronautical Congress Stockholm 1960 / XI. Internationaler Astronautischer Kongress / XIe Congrès International D’Astronautique: Proceedings Vol. I Main Sessions. – Vienna: Springer Vienna, 1960. – P. 210-214. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-8071-6_22

7. Gushenets V. I. et al. Simple and inexpensive time-of-flight charge-to-mass analyzer for ion beam source characterization // Review of scientific instruments. – 2006. – V. 77. – № 6. – P. 063301. https://doi.org/10.1063/1.2206778

8. Jianlin K. et al. Focusing of intense and divergent ion beams in a magnetic mass analyzer // Review of Scientific Instruments. – 2014. – V. 85. – № 7. –P. 073306. https://doi.org/10.1063/1.4891419

9. Gushenets V. I. et al. Plasma lens clearing of the microdroplets in cathodic arc plasma flow // 2015 IEEE International Conference on Plasma Sciences (ICOPS). – IEEE. – 2015. – P. 1. https://doi.org/10.1109/PLASMA.2015.7179830

10. Goncharov A. A. et al. Evaporation of micro-droplets in cathode arc plasma coating under formed electron beam // Problems of Atomic Science and Technology. – 2022. – V. 142. –№ 6. – P. 89-94. https://doi.org/10.46813/2022-142-089

11. Goncharov A. A., Litovko I. V., Ryabtsev A. V. Temperature dynamics of the microdroplet fraction of metal plasma in plasma-optical devices with fast electrons // Problems of Atomic Science and Technology. – 2023. – V. 146. - № 4. – P. 164-169. https://doi.org/10.46813/2023-146-164

12. Bugaev A. et al. Self-sustained focusing of high-density streaming plasma // Journal of Applied Physics. – 2017. – V. 121. – № 4. – P. 043301. https://doi.org/10.1063/1.4974870

13. Goncharov A. A. et al. Recent Advances in the Development of Erosion Sources of Plasma // Science and Innovation. – 2019. – V. 15. – № 4. – P. 31-41. https://doi.org/10.15407/scine15.04.031

14. Vorobyov M. S. et al. Investigation of the stability of the electron source with a multi-aperture plasma emitter generating a large cross-section electron beam // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. – 2015. – V. 652. – № 1. – P. 012048. http://doi.org/10.1088/1742-6596/652/1/012048

15. Goncharov A. A., Maslov V. I., Fisk A. Novel plasma-optical device for the elimination of droplets in cathodic arc plasma coating // Proc. Conf. 55th SVC Ann. Tech. – 2012. – P. 441-444. http://dx.doi.org/10.13140/2.1.4205.3760

16. Bartlett P. L., Stelbovics A. T. Electron-impact ionization cross sections for elements Z= 1 to Z= 54 // Atomic Data and Nuclear Data Tables. – 2004. – V. 86. – № 2. – P. 235-265. https://doi.org/10.1016/j.adt.2003.11.006

Для цитирования:

Бугаев А.С., Гушенец В.И., Окс Е.М. Исследование массзарядового состава дугового источника ионов электромагнитным методом. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.9