ЛЭМПУС - 1

21/01/2011 ZAE

 

  Универсальный газодинамический вакуумный стенд ЛЭМПУС-1 (лазерно-электронно-молекулярно-пучковая установка) предназначен
для проведения фундаментальных и прикладных исследований по направлениям молекулярной газовой динамики,физической кинетики, неравновесной плазмохимии и в смежных областях.
 
Основная тематика исследований:
 
  • процессы кластерообразования, неравновесной конденсации в сверхзвуковых потоках, в том числе гетерогенных;
  • механизмы образования и свойства нанокластеров, супрамолекулярных структур, Ван-дер-ваальсовых комплексов;
  • плазмохимические процессы в газовых потоках при инициации электронно-пучковой и разрядной плазмой, в условиях энергетической неравновесности компонент,
  • ионно-лучевой синтез и модификация новых материалов и покрытий,
  • газодинамика и энергообмен в нестационарных неравновесных сверхзвуковых потоках атомарных и молекулярных газов и газовых смесей.
Стенд оборудован следующим комплексом аппаратуры:
 
  • газоструйный источник со сменными соплами позволяет работать в непрерывном и импульсном режимах истечения, установлен на 4-х-координатном прецизионном устройстве в вакуумной камере,
  • импульсные режимы работы позволяют достигать больших мгновенных расходов рабочих газов (до 10 г/с при частоте импульсов до 100 Гц);
  • модуль активации кластеризованных молекулярных потоков позволяет активировать непрерывные и импульсные потоки от газового источника, генерировать возбужденные, ионизованные частицы и радикалы.
  • Модуль оснащен источникками электронов с подогревом эмиттера на основе гексаборида лантана ( ИЭ-500-30 энергия в пучке – 70 - 500эВ ток – до 30 мА и ИОН-200 энергия в пучке – 70 - 300эВ ток – до 300 мА).
  • Модуль активации газовых потоков оснащён импульсной разрядной системой с энергией до 150 Дж в импульсе.
  • генератор молекулярного пучка обеспечивает невозмущающий отбор пробы из сверхзвуковых газовых потоков, в том числе в импульсном  режиме, измерение поступательной температуры и функции распределения скоростей молекул время-пролетным методом;
  • квадрупольный масс-спектрометр Hiden Analytical EPIC серии 1000 для высокоточных научных исследований. Прибор обеспечивает возможности анализа положительных и отрицательных ионов, энергии зараженных частиц, масс-спектрометрии потенциала появления (AP-MS), масс-спектрометрии диссоциативного прилипания электронов (DEA-MS). Обеспечивает измерения с временным разрешением до 100 нс в диапазоне масс от 1 до 1000 а.е.м.
  • квадрупольный масс-спектрометр Extorr XT300M для анализа остаточных газов.
Вакуумная система стенда состоит из сухих форвакуумных и
турбомолекулярных высоковакуумных насосов, что обеспечивает полностью
безмасляный состав остаточного фона в рабочих камерах до 1*10-6 Торр
(и до 1*10-8 Торр в секции детекторов), что позволяет проводить исследования с широким диапазоном веществ, в том числе с углеводородами.

Общий вид стенда ЛЭМПУС-1, модернизированного для работы с ионно-кластерными пучками, приведен на рис. 1.19 [26]. Все три камеры оборудованы дифференциальными производительными высоковакуумными откачными системами на основе турбомолекулярных и сухих спиральных насосов. Соответственно, в камере ионизатора  (см. рис. 1.20) располагался собственно ионизатор кластерного пучка и ионно-оптическая система, обеспечивающая формирование ускоренного ионно-кластерного потока. При выборе принципиальной схемы за основу была принята система, при которой ионизация и формирование кластерных ионов происходит под высоким потенциалом, затем кластеры ускоряются и направляются на мишень, находящуюся под потенциалом земли (корпуса). Отличительной особенностью разработанной схемы было следующее конструкторское решение: ионизатор и вся ионная оптика располагается на верхнем фланце камеры ионизатора диаметром Ду320 мм, что позволяет легко монтировать/демонтировать систему с настройкой и юстировкой на рабочем стенде. Для реализации была разработана и изготовлена оригинальная высоковольтная система питания, состоящая из  прецизионного регулируемого источника базового напряжения до 30 кВ и набором управляемых модулей питания, позволяющих независимо регулировать потенциалы отдельных электродов относительно высоковольтного опорного напряжения. 

Рисунок 1.19 – Конструкция стенда ЛЭМПУС-1 с генератором кластерных ионов: 1 – камера расширения, 2 – 3-х-компонентный координатный механизм, 3 – газоструйный источник, 4 – турбомолекулярный насос, 5 – скиммер, 6 –секция ионизатора, 7 – ионно-оптическая система, 8 – камера образцов, 9 – 2-х-компонентное координатное устройство с держателем образцов, 10 – вакуумметр.

Рисунок 1.20 – Секция ионизатора с ионно-оптической системой: 1 – сетка ионизатора, 2 – экстрактор и ускоряющий электрод, 3 – фокусирующая система.

Другой отличительной особенностью конструкции является ионизатор кластерного пучка на основе электронного удара. Источником ионизирующих электронов является таблетка гексаборида лантана - материала, который позволяет получать высокие удельные (на единицу поверхности) токи эмиссии и обладает способностью сохранять эмиссионные свойства при низком вакууме и в условиях интенсивной ионной бомбардировки [27, 28]. Для поддержания рабочей температуры эмиттера (1600-1650 ˚С) был изготовлен плоский нагреватель на основе фольги из терморасширенного графита (ТРГ), который в дальнейшем показал хорошие характеристики в процессе эксплуатации. Нагрев эмиттера осуществляется за счет непосредственного контакта с нагревателем, что обеспечивает высокий КПД. Согласно [27], при указанной рабочей температуре ресурс гексаборида лантана составляет не менее 10000 часов. Ионизация кластеров осуществляется в сетчатом цилиндрическом ионизаторе, находящимся под регулируемым потенциалом относительно анода источника электронов. Высокий коэффициент прозрачности сетки (около 80%) предотвращал возможное повышение локального давления в ионизаторе как результата фрагментации кластеров.

Для размещения обрабатываемых образцов была изготовлена специализированная вакуумная секция, общий вид которой приведении на рис. 1.21. От камеры ионизатора камера образцов отделяется шиберным вакуумным затвором, что позволяет производить замену облученного образца без разгерметизации камеры ионизатора. Это решение не только повышает скорость обработки, но и улучшает стабильность работы ионизатора и ионно-оптической системы. Для размещения образцов предназначен двухкомпонентный координатный механизм, который путем перемещения образца относительно оси пучка обеспечивает диаметр обрабатываемых деталей до 50 мм. Координатный механизм вместе с разъемами контроля и питания смонтирован на быстросъемном торцевом фланце секции, что позволяет оперативно заменить его аналогичным фланцем с диагностическим оборудованием.

Рисунок 1.21 – Конструкция секции образцов: 1 – держатель образцов, 2 – двухкомпонент-ный координатный механизм, 3 – патрубок вакуумной откачки.

На рис. 1.26 приведена фотография ионизатора кластерного пучка в рабочем режиме. Над сетчатым коллектором видно яркое свечение от источника электронов. На оси ионизатора видно фиолетовое свечение, характеризующее процесс ионизации кластерного пучка.

Рисунок 1.26 – Вид на ионизатор в рабочем режиме через смотровое окно.

»