Влияние анода несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом на пространственное распределение концентрации плазмы | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/47

Влияние анода несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом на пространственное распределение концентрации плазмы

Представлены результаты исследования влияния геометрических размеров, формы и расположения анода сильноточного несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом при низком (≈ 1 Па) давлении с током до 100 А на степень неоднородности азимутальных распределений концентрации плазмы. Проведенные азимутальные измерения показали, что при инжекции потока электронов с током, превышающим в несколько раз ток электронов, образованных в результате процессов вторичной ионно-электронной эмиссии, величина средней длины пути электронов до ухода на анод L значительно ниже, чем для самостоятельного режима горения разряда. Получено, что при инжекции потока электронов в тлеющий разряд с полым катодом расположение анода значительным образом влияет на степень неоднородности концентрации плазмы. Расположение анода кольцевой формы в месте, не допускающем прямой видимости между направлениями инжекции электронов и поверхностью анода позволяет достигнуть минимального значения коэффициента неоднородности.

Influence of the anode of the non-self-sustained glow discharge with hollow cathode on the spatial distribution of plasm.pdf Введение Химико-термическая обработка, позволяющая насытить поверхностные слои деталей машин и механизмов атомами таких элементов, как азот (азотирование), углерод (карбонизация), бор (борирование), является одним из основных методов упрочнения поверхности в промышленности [1]. Азотирование сталей в плазме разрядов низкого (≈ 1 Па) давления менее затратно по времени по сравнению с процессом азотирования в плазме тлеющего разряда при давлениях 100-1000 Па [2]. Дуговые разряды низкого давления [3, 4] несмотря на это преимущество еще не так широко внедрены в производство. Основной причиной являются относительно высокие затраты для обеспечения однородного распределения концентрации плазмы в больших (> 0.1 м3) вакуумных объёмах. Тлеющий разряд с полым катодом в самостоятельной форме горения позволяет создать в вакуумной камере, внутренние стенки которой являются катодом, однородную плазму при нижнем пороговом давлении газа в катодной полости порядка до 10-2 Па [5]. В несамостоятельной форме тлеющий разряд с полым катодом, поддерживаемый внешней инжекцией электронов, стабильно зажигается и горит при рабочих давлениях вплоть до 510-3 Па [6]. Изменение величины тока электронов, инжектированных в полый катод, ускоренных в прикатодном падении потенциала и осциллирующих в разрядном объеме до момента термализации или ухода на анод, позволяет независимо регулировать основные рабочие параметры - рабочее давление, напряжение горения и ток тлеющего разряда, а также значительно, на 2 порядка повысить значение тока тлеющего разряда, а соответственно и концентрации плазмы. Так, в работе [7] при токе инжектированных электронов около 50 А величина тока тлеющего разряда составила около 370 А, а величина концентрации азотной плазмы около 1012 см-3 при рабочем давлении 1 Па. Инжекция электронов в полый катод создает значительный градиент концентрации плазмы, вызванный повышенной вероятностью ионизации газа нерассеянным пучком электронов вблизи выходной апертуры источника электронов. Данная проблема частично решается использованием формы эмиссионного электрода, отклоняющей направление инжекции электронов [8]. Концентрация плазмы также снижается вблизи анода, при этом измерения азимутальным зондом [9] показали, что снижение плотности ионного тока составляет несколько десятков процентов и более по сравнению со средней величиной. То есть расположение анода может сказаться на параметрах плазмы вблизи изделий, а значит повлиять на результат ионно-плазменной обработки. Кроме того, как показано в [5] для самостоятельного тлеющего разряда, в котором разряд поддерживается за счет процессов ионно-электронной эмиссии, для обеспечения высокой эффективности работы полого катода, необходимо уменьшать отношение площади анода к площади катода Sa/Sc. Это приводит к снижению вероятности ухода быстрых электронов на анод, то есть к увеличению их средней длины пути в полом катоде. Этот фактор приводит к улучшению однородности генерации плазмы. Целью данной работы было определение влияния таких факторов, как отношение площади анода к площади полого катода, расположение анода и его формы на однородность распределения плазмы, генерируемой в несамостоятельном тлеющем разряде с током около 100 А и концентрацией плазмы около 1012 см-3. Описание экспериментальной установки Экспериментальная установка, на которой проводились исследования, была собрана на основе промышленной установки ННВ-6.6-И1. Стенки вакуумной камеры с размерами около 600×600×600 мм образовывают полый катод основного (тлеющего) разряда объемом 0.21 м3 и общей площадью Sc ≈ 1.8 м2 (рис. 1). Откачка камеры производилась турбомолекулярным насосом ТМН-500 до предельного давления 5•10-3 Па, а рабочее давление варьировалось в диапазоне 0.4- 1.2 Па при регулируемом напуске рабочего газа - азота особой чистоты. Рис. 1. Схема экспериментального стенда (вид на камеру сверху) Несамостоятельный тлеющий разряд зажигался между полым катодом тлеющего разряда, которым являлся внутренний экран из нержавеющей стали толщиной 1 мм, и плоским анодом, введенным через боковой фланец камеры (исходный исследовательский режим). Для стабильного зажигания тлеющего разряда в импульсном режиме горения значение Sa в экспериментах, в которых исследовалось влияние формы и месторасположения анода, его площадь составляла 300 см2, а соотношение Sa /Sc ≈ 0.016, что примерно в 2 раза выше, чем оптимальное значение этого соотношения, определяемое как (2me / M)1/2, где me - масса электрона, а M - масса иона. Электропитание тлеющего разряда осуществлялось от источника импульсного напряжения, обеспечивающего величину выходного напряжения Ud до 300 В и импульсный ток Id до 550 А при максимальном среднем выходном токе Id ср до 120 А, частоту следования импульсов f = 1-1000 Гц и коэффициент заполнения импульсов γi = 1-100 %. Выходная цепь источника питания включает два коммутирующих ключа K1 и K2 и включенный последовательно с нагрузкой дроссель L, образующий с выходной конденсаторной батареей C выходной LC-фильтр. Lp представляет собой паразитную индуктивность подводящих проводов, величина которой составляла до 3 мкГн. При подаче на нагрузку постоянного напряжения ключ K1 замкнут, а ключ K2 разомкнут. В импульсном режиме горения ключ K1 переключается с заданной частотой f и заданной длительностью импульса tи = γi ∙T= γi / f. В паузы между импульсами напряжения ключ K1 разомкнут, а ключ K2 замкнут, соединяя анод и катод тлеющего разряда. Источник питания позволяет предотвращать появление микродуг на поверхности катода. При измерении тока тлеющего разряда Id (t) сигнал с датчика Холла подавался на осциллограф, а напряжение Ud (t) измерялось осциллографическим щупом 1:100 между анодом и катодом тлеющего разряда. Для предотвращения попадания плазмы в узлы вакуумной системы использовалась диафрагма с мелкоструктурной сеткой. Для стабильного горения стационарного тлеющего разряда при низких напряжениях и зажигания разряда в импульсном режиме использовался источник электронов на основе дугового разряда с интегрально холодным полым катодом, подробно представленный в [10]. При подаче азота через ввод газа и поступлении высоковольтного импульса напряжения, между поджигающим электродом и полым цилиндрическим катодом, разрядом по поверхности диэлектрика инициировалась дуга. Катодное пятно перемещалось по внутренней поверхности цилиндрического полого катода в максимуме тангенциальной составляющей аксиального магнитного поля, создаваемого катушкой. Вспомогательный дуговой разряд стационарно горел через отверстие в диафрагме, которая, находясь под «плавающим» потенциалом, препятствовала «сбеганию» катодного пятна на торец плазмогенератора и переходу дуги из режима диффузного горения в анодной области к режиму контракции с образованием анодного пятна на близлежащем участке анода. Анод вспомогательного дугового разряда, находящийся под потенциалом полого катода тлеющего разряда, представлял собой усеченный конус с вогнутой центральной частью, конусная часть которого и центральная часть были закрыты мелкоструктурной сеткой. На верхнем основании усеченного конуса сетка представляла собой вогнутый внутрь конус с углом при вершине конуса, близким к 90 °. Сетка имела геометрическую прозрачность 45 % (размер ячейки сетки - 0.4×0.4 мм). Такая форма конуса использовалась для отклонения направлений инжекции электронов, эмитируемых в основной разряд, от оси источника электронов и улучшения за счет этого однородности распределения параметров плазмы, генерируемой тлеющим разрядом в полом катоде. Электропитание источника электронов на основе дугового разряда с интегрально холодным полым катодом осуществлялось от источника стабилизированного тока. Индукция магнитного поля B на оси источника электронов, создаваемого магнитной катушкой, во всех основных исследовательских режимах составляла B = 3.8 мТл. Для определения влияния соотношения площади анода к площади катода Sa/Sc на азимутальные распределения плотности ионного тока из плазмы использовались три значения величины площади анода - 200, 300 и 600 см2. Исследование влияния расположения анода несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом относительно центра инжекции электронов на степень неоднородности азимутального распределения плотности ионного тока из плазмы проводилось для нескольких точек расположения анода (рис. 1). Исходное положение анода, относительно которого проводилось сравнение, определено на основании работ [7-9]. Выбор других позиций расположения анода был сделан из условия снижения вероятности попадания относительно исходного положения инжектированного электрона на анод. При такой форме эмиссионного сеточного электрода позицией, в которую инжектированные электроны не могут попасть без промежуточного взаимодействия с частицами плазмы или стенками полого катода при условии ускорения вдоль нормали к поверхности эмиссионной сетки, является положение анода в точке, лежащей на оси источника электронов вблизи стенки катодной полости (положения 2-4 анода). Наибольшая длина пути инжектированных электронов до анода должна достигаться при положении анода в области геометрической тени по отношению к потоку первоначальных электронов. Такой позицией является положение 5 анода (рис. 1). Для определения влияния формы эмиссионного электрода использовалась плоская форма, близкая к квадратной, и вытянутая форма анода с вертикальным и горизонтальным расположением. В позиции 5 анод имел форму цилиндра диаметром 300 мм и высотой 16 мм. Для определения однородности распределения параметров плазмы в объеме камеры проводились измерения азимутального распределения плотности ионного тока из плазмы. Для исследования характера азимутального распределения плотности ионного тока использовался плоский зонд диаметром около 5.5 мм с охранным кольцом, имеющий потенциал полого катода тлеющего разряда. Во время измерений азимутального распределения плотности ионного тока зонд вращался вокруг центра камеры на расстоянии 18 см от оси камеры. Зонд был закреплен во фланце с вакуумным вводом вращения, расположенном на дне камеры. Была введена величина коэффициента неоднородности, которая характеризует степень неоднородности азимутального распределения плотности ионного тока и равная отношению максимального отклонения плотности ионного тока от среднего значения плотности ионного тока к среднему значению плотности ионного тока, то есть kн = | ji max - ji ср|•100 % / ji ср, где | ji max - ji ср| - максимальное отклонение плотности ионного тока насыщения из плазмы от среднего значения, а ji¬ cр - среднее значение плотности ионного тока. Количество угловых положений при повороте азимутального зонда от 0 до 360° составляло 18. Знание коэффициента kн позволяет оценить возможное отклонение толщины модифицированного слоя от среднего значения при обработке крупногабаритного изделия в плазме тлеющего разряда. Измерение азимутальных распределений производилось в квазистационарном режиме горения разряда на третьей миллисекунде разрядного импульса при частоте следования импульсов 40 Гц и фиксированных значениях напряжения горения тлеющего разряда (180 В), тока тлеющего разряда (100 А) и рабочем давлении азота 0.65 Па. Результаты исследований и их обсуждение В процессе исследований оценивалось влияние на азимутальные распределения такого фактора, как соотношение площадей анода и катода Sa/Sc. Для этого были измерены азимутальные распределения плотности ионного тока насыщения на зонд и коэффициенты их неоднородности для площадей анодов Sa = 200 см2 (kн = 48 %), Sa = 300 см2 (kн = 54 %) и Sa = 600 см2 (kн = 54 %), которые представлены на рис. 2, а. Для случая наименьшей площади анода (Sa = 200 см2), величина которой близка к оптимальной (2me / M1/2) согласно [5], можно отметить незначительное, на несколько процентов, улучшение равномерности распределения плотности ионного тока насыщения по сравнению с двумя большими по площади анодами. Однако при Sa = 200 см2 наблюдаются периодические «пропуски» зажигания разрядных импульсов, поэтому последующие эксперименты проводились для площади анода 300 см2. Азимутальные распределения для различных положений анода (рис. 2, б) свидетельствуют, что расположение анода значительным образом влияет на степень неоднородности концентрации плазмы. Боковое, относительно потока инжектированных электронов, положение анода приводит к максимальной степени неоднородности, которая составляет 37 % (таблица). Расположение анода на оси источника электронов на стенке, противоположной относительно центра инжекции электронов (положение 2), позволяет снизить в 2 раза коэффициент неоднородности концентрации плазмы до 17 %. Рис. 2. Азимутальные распределения плотности ионного тока на зонд: при p(N2) = 0.65 Па, Ud = = 180 В, Id = 90 А: 1 - Sa = 200 см2, 2 - Sa = 300 см2, 3 - Sa = 600 см2 (а); на расстоянии 300 мм от основания полого катода из нержавеющей стали при p(N2) = 0.65 Па, Id = 100 А, Ud = 180 В (б) Использование плоской вытянутой формы анода, расположенного горизонтально (положение 3) при сохранении той же площади, позволяет несколько снизить степень неоднородности концентрации плазмы по сравнению с формой 1 и 2 анода, а вертикальное расположение вытянутого анода (положение 4) приводит к форме азимутального распределения, близкого к исходной, с таким же коэффициентом неоднородности. Поскольку ток инжектированных электронов превышает примерно на порядок величины ток электронов, образованных за счёт процессов вторичной ионно-электронной эмиссии [7], то именно направленное движение электронов оказывает основное влияние на степень неоднородности концентрации плазмы в полом катоде. Значительная, более чем в 2 раза, разница в степени неоднородности для положений 3 и 4 анода может быть объяснена несимметричностью камеры вдоль оси источника электронов, то есть влиянием геометрии полого катода на поток инжектируемых электронов. Вероятно, для положения 4 анода, количество инжектированных электронов, не успевших истратить свою энергию до ухода на анод, значительно выше, чем для положения 3. Параметры азимутального распределения плотности ионного тока для разных форм и местоположения анода относительно центра инжекции электронов Материал катода, высота от основания полого катода Среднее значение плотности ионного тока на зонд ji ср, мА/см2 Максимальное отклонение от среднего значения (|ji max| - ji ср), мА/см2 Коэффициент неоднород- ности kн, % Исх. положение, плоский анод 140×110 мм 12.8 2.5 37 Положение 2, плоский анод 140×110 мм 9.3 1.6 17 Положение 3, вытянутая форма 470×32 мм, горизонтальное расположение 10.6 1.5 15 Положение 4, вытянутая форма 470×32 мм, вертикальное расположение 12.3 2.3 35 Положение 5, кольцевой анод Д300 мм × Ш16 мм, в геометрической тени 8 1 12 Расположение анода кольцевой формы в месте, не допускающем прямой видимости между направлениями инжекции электронов и поверхностью анода (положение 5), позволило достигнуть минимального значения коэффициента неоднородности (12 %). По-видимому, в этом случае достигается максимальная длина траектории электронов L до момента их ухода на анод или термолизации, что способствует обеспечению распределения с минимальной неоднородностью. В случае самостоятельного режима горения тлеющего разряда с полым катодом, при котором горение разряда обеспечивается за счет процессов вторичной ионно-электронной эмиссии электронов со стенок полого катода, плотность электронного тока по всей площади полого катода примерно одинакова. Благодаря ускорению в прикатодном слое и многократным осцилляциям в полом катоде плазма становится относительно изотропной. Для расчета средней длины L траектории движения электрона до ухода на анод в работе [5] принималось, что появление первичного электрона, рожденного в результате процесса вторичной ионно-электронной эмиссии, по всей площади полого катода равновероятно, то есть отсутствует поток электронов высокой плотности и вероятность потери большого числа электронов, не истративших свою энергию, на аноде. В этом случае средняя длина траектории электронов L равна 4V/Sa, где V - объем полого катода, а Sa - площадь анода. Согласно этому выражению, для условий эксперимента в данной работе при объеме полого катода 0.21 м3 и площади анода 300 см2 средняя длина L траектории движения первичных электронов составляет 28 м. Длина релаксации электронов Λ, на которой они должны растратить свою энергию на реакции ионизации, оценивается из выражения Λ = (eUк/Ei)λ, где e - заряд электрона, Uк - прикатодное падение потенциала, Ei - потенциал ионизации, λ - длина свободного пробега электрона. При рабочем давлении азота 0.65 Па и прикатодном падении потенциала 180 В длина релаксации электрона равна около 3 м, что примерно на порядок меньше средней длины траектории электронов. То есть инжектированные и ускоренные в прикатодном падении потенциала электроны должны успевать релаксировать. Однако различный характер азимутальных распределений для разных позиций анода свидетельствует о различных значениях средней длины траекторий инжектированных электронов. Причиной является то, что, поскольку плотность тока электронов с поверхности эмиссионного электрода превышает в несколько раз ток электронов, образованных в результате вторичной ионно-электронной эмиссии, значительную роль в процессе горения разряда начинает играть вероятность замыкания потока электронов на анод. Выражение для оценки L является в этом случае не совсем корректным, и, по всей видимости, реальная величина L значительно ниже. Из полученных данных можно сделать вывод, что важнейшим для обеспечения низкой степени неоднородности является геометрический фактор, то есть форма полого катода тлеющего разряда, а также форма анода тлеющего разряда и его расположение относительно центра инжекции электронов. Оптимальным является расположение анода в области геометрической тени для первоначальных траекторий электронов, инжектируемых из плазмы вспомогательного разряда. Заключение В результате исследования влияния геометрических размеров, формы и расположения анода сильноточного, до 100 А, тлеющего разряда с полым катодом при низком (≈ 1 Па) давлении, поддерживаемого внешней инжекцией электронов, можно сделать следующие выводы: 1. При инжекции потока электронов с током, превышающим в несколько раз ток электронов, образованных в результате процессов вторичной ионно-электронной эмиссии, реальная величина средней длины пути электронов до ухода на анод L значительно ниже, чем оцениваемая по выражению 4V/Sa, полученному для случая, когда рождение первичных электронов в результате процессов вторичной ионно-электронной эмиссии равновероятно по всей площади полого катода. Причиной является высокая вероятность попадания на анод электронов, не истративших свою энергию на процессы генерации плазмы. 2. При инжекции потока электронов в тлеющий разряд с полым катодом расположение анода значительным образом влияет на степень неоднородности концентрации плазмы. Боковое относительно потока инжектированных электронов положение анода приводит к максимальной степени неоднородности и связано с уходом части потока нерелаксировавших электронов на анод. Расположение анода на оси источника электронов на стенке, противоположной относительно центра инжекции электронов, позволяет снизить в 2 раза коэффициент неоднородности концентрации плазмы. Расположение анода кольцевой формы в месте, не допускающем прямой видимости между направлениями инжекции электронов и поверхностью анода, позволяет достигнуть минимального значения коэффициента неоднородности, что, по-видимому, связано с максимальной длиной траектории электронов L до момента их ухода на анод. 3. В импульсном несамостоятельном тлеющем разряде с полым катодом увеличение площади анода в два и три раза по сравнению с величиной, близкой к оптимальной (2me/M1/2), приводит к увеличению коэффициента неоднородности всего на несколько процентов, однако приводит к более стабильному зажиганию и горению разряда.

Ключевые слова

electron flow, inhomogeneity coefficient, plasma density distribution, anode, hollow cathode glow discharge, коэффициент неоднородности, поток электронов, распределение концентрации плазмы, анод разряда, тлеющий разряд с полым катодом

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Лопатин Илья ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., науч. сотр.lopatin@opee.hcei.tsc.ru
Островерхов Евгений ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНаспирантevgeniy86evgeniy@mail.ru
Коваль Николай НиколаевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.т.н., гл. науч. сотр.koval@hcei.tsc.ru
Денисова Юлия АлександровнаИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр.yudenisova81@yandex.ru
Денисов Владимир ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., зав. лабораториейvolodyadenisov@yandex.ru
Всего: 5

Ссылки

Denisov V.V., Akhmadeev Yu.H., Koval N.N., and Ostroverkhov E.V. // High Temp. Mater. Prosess. - 2016. - V. 20. - No. 4. - P. 309-316.
Denisov V.V., Kovalsky S.S., Koval N.N., et al. // IOP Conf. Ser.: J. Phys.: Conf. Series. - 2017. - V. 927. - P. 176-184.
Ostroverkhov E.V., Denisov V.V., Denisova Yu.A., et al. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2018. - V. 387. - P. 012056.
Ахмадеев Ю.Х., Денисов В.В., Коваль Н.Н. и др. // Физика плазмы. - 2017. - Т. 43. - № 1. - С. 63-70.
Визирь А.В., Окс Е.М., Щанин П.М., Юшков Г.Ю. // ЖТФ. - 1997. - Т. 67. - Вып. 6. - С. 27-31.
Метель А.С. // ЖТФ. - 1984. - Т. 54. - Вып. 2. - С. 241-247.
Andreev A.A., Shulaev V.M., and Sablev L.P. // Fiz. Inzh. Poverkhn. - 2006. - V. 4 - No. 3-4. - P. 191-197.
Винтизенко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль Н.Н. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2001. - Т. 58. - № 9. - C. 28-34.
Schanin P.M., Koval N.N., Goncharenko I.M., and Grigoriev S.V. // Phys. Chem. Mater. Treatment. - 2001. - No. 3. - P. 16-19.
Берлин Е.В., Сейдман Л.А., Коваль Н.Н. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей - М.: Техносфера, 2012. - 464 с.
 Влияние анода несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом на пространственное распределение концентрации плазмы | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/47

Влияние анода несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом на пространственное распределение концентрации плазмы | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/47