Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Study of the mass-to-charge ratio of an arc ion source by electromagnetic techniques

A.S. Bugaev1, V.I. Gushenets1, E.M. Oks1

1 Institute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.9 UDC 533.9.082.74 EDN EBZVHB

Abstract

A modified ablative vacuum arc-based plasma generator is described. The system is widely used in scientific and engineering applications such as metallic coating synthesis, the production of intense metal ion beams, electric thrusters for small spacecraft, and other technologies. To enhance the efficiency of the plasma generator (i.e., increase ion yield), a plasma-optical system in the form of a cylindrical plasma lens was employed as one of its components. The arc discharge was initiated by surface breakdown along alumina ceramic Al₂O₃, as well as polytetrafluoroethylene (-C₂F₄-)n. The elemental and charge composition of the ion beam extracted from the vacuum arc plasma with a copper cathode was investigated using a bending-magnet-based separator. This method allowed for high temporal resolution measurements of ion beam evolution through direct detection of the separator collector signal. It was found that, in the case of a plasma generator with polytetrafluoroethylene, the content of carbon and fluorine ions significantly affected by the discharge current. At arc discharge currents below 70 A, the combined content of these ions does not exceed 15% of the copper ion yield. The effects of electrode voltage and magnetic field in the plasma lens on the mass-to-charge composition and temporal evolution of the ion beam was also studied for the plasma generator with arc discharge initiated by surface breakdown along the ceramic.

  • vacuum arc
  • ion source
  • plasma generator
  • bending magnet
  • Plasma lens
  • multicharged ions
Аннотация (на русском)

Исследование массзарядового состава дугового источника ионов электромагнитным методом

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.

For citation

Bugaev A.S., Gushenets V.I., Oks E.M. Study of the mass-to-charge ratio of an arc ion source by electromagnetic techniques // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.9

References

  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