Non-self-sustained glow discharge with hollow cathode at low combustion voltages.pdf Введение Тлеющий разряд с полым катодом в самостоятельной форме горения устойчив при давлении газа в катодной полости порядка 10-2 Па [1]. В [2] показано, что такой разряд стабильно горит в атмосфере аргона при напряжениях не ниже 190 В. Однако для некоторых приложений снижение напряжения горения разряда при низком давлении обеспечивает необходимый уровень химического состава плазмы путем уменьшения степени распыления стенок полого катода потоком ионов. 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, а минимальное напряжение горения снижается при увеличении тока инжекции электронов [3] - вплоть до нескольких десятков вольт, как показано в работе [4]. Уменьшение напряжения горения разряда позволяет снизить энергию ионов, ускоренных в прикатодном падении потенциала, и соответственно травление поверхности полого катода. Однако малоисследованным является поведение тлеющего разряда в несамостоятельном режиме горения в области напряжений около нескольких десятков вольт. Ранее показано [5-7], что на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) разряда в точках перехода из режима в отсутствие эффекта полого катода [5, 6] или из затрудненного тлеющего разряда с полым катодом в режим, при котором возникает эффект полого катода, наблюдается гистерезис. Целью данной работы было исследование ВАХ сильноточного несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления (≈ 1 Па) в области низких напряжений горения и при относительно высоких, до нескольких десятков ампер, токах тлеющего разряда. Описание экспериментальной установки Исследование ВАХ сильноточного несамостоятельного тлеющего разряда проводилось на экспериментальном стенде (рис. 1), собранном на основе промышленной установки ННВ-6.6-И1. Стенки вакуумной камеры с размерами 600×600×600 мм являлись катодом 1 основного тлеющего разряда. Откачка камеры производилась турбомолекулярным насосом до предельного давления 5•10-3 Па, а рабочее давление варьировалось в диапазоне 0.2-1.2 Па при напуске азота особой чистоты. Несамостоятельный тлеющий разряд зажигался между полым катодом 1 и плоским анодом 2, закрепленным на боковом фланце камеры. Полый катод имел площадь Sc 2.3•104 см2, а площадь анода Sa имела величину 300 см2 (Sa:Sc = 1:74). Питание тлеющего разряда осуществлялось от источника питания со следующими параметрами: выходное напряжение Ud = 30-300 В; средний выходной ток Id = 1-120 А; частота следования импульсов f = 1-1000 Гц; коэффициент заполнения γ = 1-100 %. Для измерения тока разряда сигнал с датчика Холла подавался на осциллограф, а напряжение горения измерялось между анодом и катодом основного разряда. Для стабильного зажигания и горения тлеющего разряда при низких напряжениях использовалась инжекция электронов из вспомогательного источника электронов на основе дугового разряда с холодным полым катодом [8]. При подаче азота через газовый ввод 4 и приложении высоковольтного импульса к промежутку между поджигающим электродом 5 и полым цилиндрическим катодом 6 разрядом по поверхности диэлектрика инициировалась дуга. Катодное пятно перемещалось по внутренней поверхности цилиндрического полого катода в область максимума тангенциальной составляющей аксиального магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой 3. Вспомогательный дуговой разряд стационарно горел через отверстие в дугогасителе 7, который, находясь под «плавающим» потенциалом, препятствовал сбеганию катодного пятна на торец цилиндрического полого катода и переходу дуги из режима диффузного горения в анодной области к режиму контракции с образованием анодного пятна на близлежащем участке анода. Анод вспомогательного разряда 8, находящийся под потенциалом полого катода тлеющего разряда, представлял собой усеченный конус с вогнутой центральной частью, имеющей также форму конуса, и был закрыт мелкоструктурной сеткой с геометрической прозрачностью 45 % (размер ячейки сетки - 0.4×0.4 мм). Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - катод тлеющего разряда; 2 - анод тлеющего разряда; 3 - катушка магнитного поля; 4 - ввод для напуска газа; 5 - поджигающий электрод; 6 - полый катод вспомогательного дугового разряда; 7 - дугогаситель; 8 - конусный сеточный анод вспомогательного дугового разряда; 9 - одиночный цилиндрический зонд Ленгмюра Электропитание источника электронов на основе дугового разряда с холодным полым катодом осуществлялось от источника стабильного тока ARC150 [9], обеспечивающего постоянный ток дуги Ia до 150 А при напряжении до 60 В, индукция магнитного поля на оси источника электронов, создаваемого магнитной катушкой 3, во всех экспериментах составляла 3.8 мТл. Определение параметров плазмы производилось в центре камеры с использованием одиночного цилиндрического зонда Ленгмюра 9, установленного на боковом фланце камеры и перемещаемого через центр камеры. Опорным электродом являлся анод тлеющего разряда. Результаты исследований и их обсуждение Перед началом каждого эксперимента по исследованию процесса инициирования разряда, измерению ВАХ разряда и зондовых измерений с целью очистки стенок камеры от оксидных и адсорбированных слоев проводилась ионная бомбардировка стенок камеры в азотной плазме при напряжении горения тлеющего разряда 250 В и среднем токе 80 А в течение 30 мин. Равномерное свечение плазмы в объеме камеры представлено на рис. 2, а. При зажигании вспомогательного дугового разряда с минимальным током 20 А ток в цепи основного тлеющего разряда (давление в камере p(N2) = 1 Па) начинает протекать при приложении между электродами основного разряда минимального постоянного выходного напряжения величиной 30 В. Ток на анод тлеющего разряда имеет величину, в несколько раз меньшую, чем ток в цепи источника питания вспомогательного дугового разряда. В этот момент в объеме полого катода основного разряда наблюдается неравномерное по объему камеры свечение плазмы с увеличением интенсивности свечения в локальной области возле анода основного разряда (рис. 2, б). Зондовые измерения показали, что потенциал плазмы относительно анода в этом режиме составляет в центре камеры минус 8 В, то есть локальное свечение возле анода является анодным слоем. Рис. 2. Свечение плазмы несамостоятельного тлеющего разряда при Ud = = 150 В, Id = 70 А, р(N2) = 1 Па) (а). Анодное пятно при Ud = 35 В, Id = = 10 А, Iа = 25 А, р(N2) = 1 Па (б) Причиной возникновения анодного слоя является, вероятно, недостаточная концентрация формируемой вблизи анода плазмы и необходимость увеличить эффективную площадь анода для обеспечения условия токопрохождения. В этом режиме горения тлеющего разряда эффект полого катода реализован не в полной мере, как и в работе [7], что видно по неравномерному свечению в объеме камеры (плазма неоднородна). На ВАХ, представленной на рис. 3, данный режим сохраняется вплоть до величины тока тлеющего разряда Id = 60 А. При напряжении основного разряда в диапазоне 45-60 В, значение которого зависит от тока вспомогательного разряда и рабочего давления, происходит резкий переход к равномерному объемному горению разряда во всем полом катоде. Такой скачок характеризуется возрастанием тока основного разряда на 20-40 % и равномерным свечением плазмы во всем объеме полого катода, что можно объяснить повышением эффективности генерации плазмы в полом катоде. Другими словами, возникает электростатическая ловушка с размерами, близкими к внутренним размерам камеры, в которой происходит осцилляция электронов и полная передача энергии электронов на ионизацию и возбуждение газа до их ухода на анод или термализации. Гистерезиса на ВАХ в области перехода из режима с неполной реализацией эффекта полого катода в режим горения с равномерным свечением плазмы в полом катоде и обратно практически не наблюдается (рис. 3). Недостаточную эффективность работы полого катода, характеризуемую образованием плазмы с высокой степенью неоднородности, можно объяснить тем, что при низком напряжении горения тлеющего разряда энергия значительной части электронов, инжектируемых из плазмы вспомогательного дугового разряда и ускоренных в прикатодном падении потенциала тлеющего разряда, настолько высока, что эта часть электронов преодолевает потенциальный барьер прикатодного падения потенциала и практически не участвует в генерации плазмы в полом катоде. Действительно, согласно [10], электронная температура плазмы в дуговом контрагированном разряде может составлять более 20 эВ и, с учетом ускорения в прикатодном падении потенциала и условии низких потерь в процессах взаимодействия с другими частицами плазмы, может быть достаточна для преодоления потенциального барьера. Рис. 3. Вольт-амперные характеристики несамостоятельного тлеющего разряда при увеличении и уменьшении Ud (Ia = 60 А, р(N2) = 0.6 Па) С уменьшением рабочего давления вплоть до минимума в исследуемом диапазоне давлений 0.4-1.2 Па или ростом тока вспомогательного разряда с 20 до 150 А, что эквивалентно увеличению тока инжектированных электронов с 9 до 68 А, происходит снижение величины порогового напряжения, при котором происходит скачкообразный переход к эффективному режиму работы полого катода, что прослеживается на ВАХ, представленных на рис. 4. Это можно объяснить пропорциональным увеличением длины свободного пробега электронов при уменьшении давления, приводящем к генерации в объеме камеры более равномерной плазмы. Рис. 4. Вольт-амперные характеристики несамостоятельного тлеющего разряда: 1 - Ia = 20 А, р(N2) = 1 Па; 2 - Ia = 20 А, р(N2) = 0.6 Па; 3 - Ia = 60 А, р(N2) = 1 Па; 4 - Ia = 60 А, р(N2) = 0.6 Па В случае же увеличения тока вспомогательного разряда происходят пропорциональное повышение концентрации плазмы и более раннее формирование отражающего электроны прикатодного слоя по всей площади полого катода, и, следовательно, переход к режиму горения разряда, при котором реализуется эффект полого катода, при более низком напряжении. При переходе в импульсный режим горения при длительности импульса более 1.5-2 мс и частоте следования импульсов 40 с-1, когда разряд горит в квазистационарном режиме с выходом тока на плато, значения напряжения горения разряда с полым катодом имеют ту же величину, что и для случая постоянного режима. Минимальное напряжение, при котором должен зажигаться тлеющий разряд с полым катодом, можно определить из формулы, приведенной в [11], пренебрегая в балансе энергии электронов возбуждением молекул: , (1) где eUd - энергия, набираемая электронами в катодном слое тлеющего разряда; Sa/Sc - отношение площади анода к площади катода;  - классический коэффициент вторичной эмиссии; Wi - потенциал ионизации; Te - температура электронов. Поддержание разряда осуществляется не только электронами, получаемыми в результате вторичной ионно-электронной эмиссии, но и электронами, инжектируемыми в полый катод из вспомогательного разряда, поэтому будем использовать вместо классического коэффициента  обобщенный коэффициент Г [12,13], который рассчитывается по формуле , (2) где Ia и Ii - ток вспомогательного разряда и ионный ток на полый катод основного разряда соответственно; b - геометрическая прозрачность сеточного электрода. Так как при зажигании разряда с полым катодом энергия электронов мала, -процессами можно пренебречь и обобщенный коэффициент Г ≈ Ia•b/Ii. Рассчитаем ионный ток на полый катод по формуле [12] , (3) где Iс - ток на полый катод. Для малых напряжений разряда Ii ≈ Iс - Iab. Тогда, подставляя полученные в эксперименте при рабочем давлении азота p = 1 Па значения Iс = 33 А и Ia = 20 А при b = 45 %, получим Ii = 24 А, а коэффициент Г ≈ 0.8. При подстановке в формулу (1) значений Wi = 15.6 эВ, Sa/Sc ≈ 1.310-2, Te = 1 эВ и полученное значение Ii = 24 А, а вместо классического коэффициента  обобщенный коэффициент Г ≈ 0.8, получим величину минимального напряжения, при котором зажигается тлеющий разряд с полым катодом, Uc ≈ 24 В. Следует отметить, что величина Te = 1 эВ характерна для высоких значений напряжения горения тлеющего разряда [14], однако при низких значениях напряжения горения основного разряда (≈ 50 В) и росте тока вспомогательного разряда [15] температура электронов возрастает до величины нескольких электронвольт, а эффективная величина потенциала ионизации Wi также всегда выше табличного значения. При подстановке в формулу (1) скорректированных значений Wi = 31.2 эВ и Te = 5 эВ получим Uc ≈ 56 В, что удовлетворительно согласуется с экспериментальным значением минимального напряжения горения разряда для этих условий Ud = 60 В. При дальнейшем увеличении напряжения горения разряда как в постоянном, так и в импульсном режимах работы происходит практически линейное увеличение тока основного разряда. Наблюдаемая форма несамостоятельного разряда низкого давления может быть использована как в научных, так и в технологических целях, например для модификации поверхности материалов и изделий низкотемпературной плазмой с целью улучшения их служебных характеристик. Заключение В несамостоятельном тлеющем разряде с полым катодом, поддерживаемом инжекцией электронов из плазмы вспомогательного разряда, при низком (≈ 1 Па) давлении эффект полого катода скачкообразно усиливается при определенном значении напряжения. Скачок сопровождается переходом к равномерному свечению плазмы во всем разрядном промежутке. Напряжение горения тлеющего разряда, при котором происходит переход, лежит в диапазоне 45-60 В, и оно зависит от величины тока вспомогательного разряда и рабочего давления. Такой скачок характеризуется возрастанием тока основного разряда на 20-40 %. При снижении рабочего давления и увеличении тока вспомогательного разряда пороговое напряжение скачкообразного перехода снижается.

Скачать электронную версию публикации