Influence of the gas type on the electrical strength of the accelerating pro-gap of the fore-vacuum plasma source of ele.pdf Введение Для электронных источников, использующих эмиссию электронов из газоразрядной плазмы, обеспечение условий устойчивой работы имеет важное значение из-за высокой вероятности нарушения электрической прочности (пробоя) ускоряющего промежутка и необходимости принятия специальных мер для его предотвращения. Тем более существенной эта проблема становится для форвакуумных плазменных источников электронов, обеспечивающих генерацию электронных пучков в области повышенных давлений форвакуумного диапазона: 1-100 Па. В силу особенностей функционирования плазменного электронного источника такого типа условия пробоя существенно отличаются от аналогичных условий для вакуумного [1, 2] и газового [3, 4] промежутков. Таких особенностей две. Первая особенность характерна для всех плазменных источников электронов, и она связана с тем, что одним из электродов ускоряющего промежутка может становиться эмиссионная плазма. Как показали наши предыдущие исследования [5], одна из разновидностей пробоя, названная «плазменным пробоем», вызвана проникновением плазмы из разрядной области в ускоряющий промежуток с последующим неконтролируемым нарастанием тока и падением напряжения на промежутке. Вторая особенность проявляется в большей степени для форвакуумных плазменных источниках электронов и обусловлена формированием плотной плазмы в областях ускорения и распространения электронного пучка. Ионы из пучковой плазмы, ускоряясь в направлении эмиссионного электрода электронного источника, обеспечивают в результате ионно-электронной эмиссии существенное повышение тока электронов в ускоряющем промежутке, которое стимулирует его пробой. Как было показано нами ранее в [6], доминирование того или иного механизма пробоя ускоряющего промежутка форвакуумного плазменного источника электронов зависит от давления газа, а также соотношения между концентрацией плазмы и размером отверстий в эмиссионном электроде, поскольку это соотношение, в свою очередь, определяет характер эмиссии электронов из плазмы. В ранее проведенных нами исследованиях [7] основные закономерности, определяющие электрическую прочность ускоряющего промежутка и, соответственно, предельные параметры форвакуумного плазменного источника электронов, были изучены при использовании воздуха в качестве рабочего газа. Задачи, возникшие в связи с применением форвакуумного плазменного электронного источника как для модификации поверхности материалов, так и для нанесения покрытий [8, 9], потребовали более детального исследования влияния рода используемого рабочего газа на электрическую прочность источника электронов такого типа. Результаты этих исследований и составляют содержание настоящей работы. Техника и методика эксперимента Электродная схема форвакуумного плазменного источника непрерывного пучка электронов на основе разряда с полым катодом схематически изображена на рис. 1. Принцип работы, конструктивные особенности, параметры и характеристики используемого в экспериментах электронного источника подробно описаны в [10]. Разрядный промежуток источника образован полым катодом 1 и анодом 2 с центральным отверстием диаметром 5 мм, перекрытым эмиссионной решеткой 3. Для повышения тепловой стойкости решетка была изготовлена из тантала. В эксперименте использовались две решетки: одна толщиной 3 мм с четырьмя эмиссионными каналами диаметром 1.5 мм и другая, более тонкая, толщиной 1 мм, содержащая 4 отверстия диаметром 0.75 мм. Рис. 1. Схема измерений: 1 - полый катод; 2 - анод; 3 - эмиссионная решетка; 4 - разрядная (эмиссионная) плазма; 5 - ускоряющий электрод; 6 - электронный пучок; 7 - коллектор; 8 - пучковая плазма Разряд, генерирующий в электронном источнике эмиссионную плазму 4, обеспечивался блоком электропитания с выходным напряжением Ud. Извлечение электронов из плазмы и их ускорение происходило при подаче высокого напряжения Ua, приложенного к промежутку анод 2 - ускоряющий электрод 5. Ток разряда Id регистрировался в цепи полого катода. Электронный пучок 6 принимался на заземленный коллектор 7. В форвакуумной области давления в условиях генерации плотной пучковой плазмы вместе с током ускоренного электронного пучка ток коллектора включает в себя электронный и ионный компоненты тока из пучковой плазмы, а также ток вторичных электронов. В этом случае определение тока электронного пучка по измеренному току коллектора затруднено. Поэтому в экспериментах в качестве контролируемой величины, обуславливающей достижение предельных параметров электронного источника, был выбран ток Ie, измеряемый в цепи высоковольтного выпрямителя блока электропитания ускоряющего промежутка и обозначенный как ток эмиссии электронов. Помимо тока истинной эмиссии электронов из плазмы этот ток включает также компонент тока ионно-электронной эмиссии с поверхности эмиссионной решетки, к которому добавляется ток ионов из пучковой плазмы. Однако при используемых в экспериментах ускоряющих напряжениях 3-15 кВ коэффициент ионно-электронной эмиссии намного больше единицы и вкладом ионного компонента в ток Ie можно пренебречь. Оба электронных компонентов в токе Ie ускоряются до полного напряжения и, являясь по своей сути неразличимыми, определяют предельные выходные параметры электронного источника. Эксперимент проводился следующим образом. Рабочая камера откачивалась механическим форвакуумным насосом ADVAVAK 40 до предельного давления уровня 1 Па. Далее в камеру напускался требуемый газ и осуществлялась продувка данного газа в течение 10 мин. Затем зажигался разряд с полым катодом и выставлялся минимальный разрядный ток. После этого на ускоряющий промежуток подавалось требуемое напряжение Ua и подъемом напряжения Ud плавно повышался ток Id разряда и, соответственно, ток эмиссии Ie. Повышение тока продолжалось до некоторого предельного значения тока эмиссии Ie, приводящего к возникновению пробоя ускоряющего промежутка. Пробой фиксировался по резкому возрастанию тока Ie в цепи высоковольтного выпрямителя и соответствующему падению напряжения Ua. При этом в ускоряющем промежутке визуально наблюдалось появление яркого свечения. Результаты измерений представляли собой зависимости предельного тока эмиссии Iе от напряжения Ua. Результаты эксперимента и их обсуждение Измеренные зависимости Iе(Ua) представлены на рис. 2 и 3. Следует отметить несколько обстоятельств. Диапазоны давлений, при которых в условиях эксперимента наблюдаются пробои ускоряющего промежутка, заметно различаются для разных эмиссионных решеток и газов. В электронном источнике с решеткой толщиной 3 мм этот диапазон давлений для азота и кислорода лежит в интервале 2.5-3 Па, для аргона - 2-2.4 Па, а для гелия - 20-35 Па. В экспериментах с решеткой толщиной 1 мм диапазоны давлений для азота, кислорода и аргона составляют соответственно 9-11, 15-19 и 3.9-4.5 Па. Для гелия пробой наблюдать не удалось во всем исследованном интервале давлений. Для решетки толщиной 3 мм с эмиссионными каналами характер зависимости Ie от Ua для разных газов различен (рис. 2). Для химически активных азота и кислорода имеет место трансформация кривых с максимумом для низких давлений исследованного диапазона до монотонно растущих зависимостей для более высоких давлений. Для инертных газов аргона и гелия во всем диапазоне давлений наблюдаются растущие зависимости. Ожидаемо, что абсолютные значения предельных токов эмиссии для всех газов снижаются по мере возрастания давления. Рис. 2. Зависимости предельного тока эмиссии Iе от ускоряющего напряжения Ua для разных газов и давлений. Решетка толщиной 3 мм В экспериментах с эмиссионной решеткой толщиной 1 мм (рис. 3) наблюдались только растущие зависимости. В этом случае давления газов, при которых можно наблюдать пробой, заметно выше по сравнению с аналогичными величинами для решетки толщиной 3 мм. Сравнение результатов показывает, что и для этого случая диапазоны давлений азота и кислорода совпадают, а для аргона давления заметно ниже. Для объяснения зависимостей, приведенных на рис. 2 и 3, могут быть приняты во внимание следующие соображения. Повышение тока эмиссии означает возрастание концентрации разрядной плазмы, что способствует ее проникновению в эмиссионный канал за счет уменьшения толщины слоя, отделяющего плазму от стенок эмиссионного канала. Электронный пучок, распространяясь в газе, образует пучковую плазму 8 (рис. 1) во внутренней области ускоряющего электрода. Граница этой плазмы эмитирует ионы в сторону анода разрядной камеры. Причем для всех газов ток ионов повышается с возрастанием Ua [11]. Часть ионного потока перехватывается внешней поверхностью эмиссионной решетки. Это добавляет к току эмиссии электронов из плазмы ток ионно-электронной эмиссии. Как показано в [5], другая часть ионов может проникать через эмиссионные каналы в разрядную плазму и повышать ее концентрацию за счет перезарядки. Это также облегчает проникновение разрядной плазмы в ускоряющий промежуток с последующим катастрофическим нарастанием эмиссионного тока и падением напряжения на ускоряющем промежутке, т.е. к пробою. Рис. 3. Зависимости предельного тока эмиссии Iе от ускоряющего напряжения Ua для разных газов и давлений. Решетка 1 мм С другой стороны, ускоряющий промежуток может рассматриваться как диод с подвижной эмиссионной поверхностью [12, 13]. При условии постоянства эмиссионной способности плазмы повышение ускоряющего напряжения вызывает смещение плазменной границы в сторону от ускоряющего электрода, что предотвращает проникновение плазмы в ускоряющий промежуток. В связи с этим представляется разумным предположить, что все три механизма работают одновременно, а преимущественная реализация одного из них определяется родом и давлением газа, ускоряющим напряжением, а также протяженностью и диаметром каналов в эмиссионной решетке. Причем особо чувствительным параметром становится именно давление газа. Анализ приведенных зависимостей показывает, что общая тенденция состоит в возрастании предельного эмиссионного тока с повышением напряжения Ua на ускоряющем промежутке. Эта тенденция объясняется в рамках представлений о смещении эмиссионной границы плазмы в глубь эмиссионного канала при повышении Ua в соответствии с хорошо известным законом Ленгмюра , (1) поскольку плотность эмиссионного тока je из плазмы определяется только параметрами самой плазмы. Этот же механизм объясняет снижение предельных эмиссионных токов с повышением давления, так как с ростом давления возрастает ионный ток из пучковой плазмы, что вызывает повышение концентрации плазмы в эмиссионных каналах и нарушение устойчивости плазменной границы. Для более узких каналов (тонкая решетка) указанный механизм оказывает меньшее влияние, что и объясняет более высокие давления, при которых наблюдается пробой. Аномальное поведение предельного тока эмиссии для толстой решетки в азотной и кислородной среде, т.е. снижение Ie с возрастанием Ua при сравнительно низких давлениях, связано, скорее всего, с реализацией пограничной ситуации, в которой имеет место нарастание ионного тока из пучковой плазмы с повышением Ua, но при этом смещение границы эмиссионной плазмы еще не так существенно. Причина, по которой указанная аномалия наблюдается только для молекулярных газов, не ясна. Возможно, она связана с соотношением сечений перезарядки, значения которых разнятся в разных литературных источниках. Заключение Сопоставление условий пробоя ускоряющего промежутка форвакуумного плазменного электронного источника при использовании разных газов показало, что наивысшая электрическая прочность наблюдается на гелии. Это позволяет поднимать рабочее давление гелия до 20-30 Па и более. Для азота и кислорода диапазон рабочих давлений лежит в зависимости от выбранной решетки в интервале 2-11 Па, а для аргона - в диапазоне 2-5 Па. В указанных диапазонах давлений зависимости предельных эмиссионных токов от ускоряющего напряжения в интервале 2-15 кВ оказываются монотонно растущими для эмиссионной решетки толщиной 1 мм и имеют экстремумы для решетки толщиной 3 мм. Указанные зависимости находят свое объяснение в рамках представлений о провоцировании пробоя за счет выхода разрядной плазмы через эмиссионные отверстия в ускоряющий промежуток.

Скачать электронную версию публикации