Plasma generation in the pulsed mode of the non-self-sustained arc discharge with combined heated and hollow cathods.pdf Введение Импульсные режимы генерации плазмы имеют ряд преимуществ перед стационарными разрядами в процессах модификации поверхности материалов и изделий. К таким преимуществам относятся возможности контроля плотности потока мощности на подложку за счет плавной регулировки коэффициента заполнения разрядного импульса, независимой регулировки всех параметров обработки, изменения зарядового состава плазмы и другие [1]. Это приводит к широкому набору инструментов для конструирования пучково-плазменных образований с заданными свойствами [2], определяющих возможности инженерии поверхности материалов в таких средах. Импульсные режимы генерации плазмы в аномальном тлеющем разряде при давлениях 50-1000 Па успешно используется для химико-термической обработки сталей [3]. Однако в плазме разрядов низкого (≈ 1 Па) давления скорость процесса азотирования может быть значительно, в 2-3 раза, выше [4]. Перспективными для генерации импульсной плазмы при низком давлении являются системы, позволяющие получать значительные (десятки-сотни ампер) токи, а значит, и повышенные значения концентрации плазмы. К таким разрядам относятся дуговые разряды [5] и, в частности, несамостоятельный дуговой разряд с комбинированным накаленным и полым катодом [6]. На основе этого разряда создан плазменный источник с накаленным и полым катодом «ПИНК» [7], позволяющий проводить ионно-плазменную обработку поверхности металлических изделий на стадиях очистки, нагрева, азотирования и плазменно-ассистированного напыления функциональных покрытий. Данный источник плазмы позволяет получать в стационарном режиме горения разряда концентрации заряженных частиц до 1017 м-3. Целью данной работы было исследование основных разрядных характеристик несамостоятельного дугового разряда с накаленным и полым катодом в импульсных режимах горения и особенностей генерации плазмы в них. Описание экспериментальной установки Для исследования импульсного несамостоятельного дугового разряда использовался экспериментальный стенд (рис. 1), собранный на основе промышленной ионно-плазменной установки ННВ-6.6-И1. На двери вакуумной камеры объемом 0.2 м3 располагался плазменный источник с накаленным катодом «ПИНК» с диаметром полого катода 90 мм и длиной 300 мм, подробно описанный в [6]. Для уменьшения явления замагничивания электронов в магнитном поле, создаваемом током накала, в качестве накаленного катода использовалось четыре проволочных катода диаметром 0.8 мм из вольфрама, соединенные параллельно [8]. Один из электродов-держателей накаленного катода был напрямую соединен с полым катодом. Разрядное напряжение подавалось между полым катодом источника плазмы и полым анодом - внутренними стенками вакуумной камеры. Для электропитания импульсного дугового разряда использовался источник стабилизированного напряжения со следующими параметрами: выходное напряжение U = 30-300 В; выходной импульсный ток I = 0-600 А. Источник электропитания оснащен системой защиты, предотвращающей появление микродуг на поверхности полого катода. Для обеспечения плоской вершины в течение всего импульса напряжения использовалась конденсаторная батарея емкостью 7.2 мФ. Для контроля амплитуды тока разряда в импульсном режиме горения использовался датчика Холла. На нить накала подавалось переменное напряжение прямоугольной формы частотой 2 кГц и коэффициентом заполнения импульса 70 %, форма тока при этом имела квазитреугольную форму вследствие большой индуктивности питающего контура. Электропитание накаленного катода осуществлялось от источника переменного тока, обеспечивающего ток накала до 200 А при напряжении до 20 В. В экспериментах величина индукции аксиально-симметричного магнитного поля в источнике плазмы равнялась 18 мТл. Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 - нить накала, 2 - полый катод, 3 - катушка магнитного поля, 4 - вакуумная камера, 5 - одиночный цилиндрический зонд Для стабильного зажигания дугового разряда при низких рабочих давлениях использовался поджигающий электрод - вольфрамовый пруток диаметром 1.5 мм и длиной 3 см, который вводился в торцевой фланец плазмогенератора и был подключен к полому аноду через сопротивление 51 Ом. До начала эксперимента вакуумная камера откачивалась турбомолекулярным насосом ТМН-500 до давления 5•10-3 Па. Рабочее давление регулировалось за счет напуска рабочего газа - азота в пределах 0.1-1 Па. Снятие точек характеристик импульсного дугового разряда производилось по осциллограммам тока и напряжения в моменты времени после выхода импульса тока на плато - в середине импульса при частоте следования импульсов 1 кГц и длительностях импульса от 250 до 650 мкс. При снятии основных характеристик напряжение горения разряда изменялось от 30 до 200 В. Для измерения параметров плазмы в центре полого анода использовался одиночный цилиндрический зонд Ленгмюра. Методика измерений и обработки данных приведена в [9]. Результаты исследований и их обсуждение Характерные осциллограммы разрядных импульсов представлены на рис. 2, а. Длительность фронта нарастания импульса тока составляет около 150 мкс. Спад напряжения в начале импульса на 25-50 % от исходной величины связан с переходным процессом и конечным временем нарастания тока в индуктивности выходной цепи. Переход разряда в квазистационарный режим происходит приблизительно начиная со 150 мкс разрядного импульса. Такой временной фронт в несколько раз меньше времени развития несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом большого (≈ 0.2 м3) объема, поддерживаемого инжекцией электронов из вспомогательного дугового разряда с катодным пятном [10]. Вероятно, это связано с тем, что к моменту подачи разрядного импульса вблизи накаленного катода, через который постоянно протекает ток, уже накоплен значительный объемный отрицательный заряд эмитированных электронов, и при снятии потенциального барьера эти электроны ускоряются в приложенном электрическом поле. При напряжении горения разряда до 100 В электроны приобретают энергию, достаточную для совершения 2-3 ионизаций [11] на длине пути около 50 см при давлении ≈ 1 Па. То есть до ухода на анод электрон должен истратить всю энергию, приобретенную в прикатодном падении потенциала, в столкновительных процессах. Рис. 2. Осциллограммы тока накала If, тока Id и напряжения Ud несамостоятельного дугового разряда при Ud = 80 В, If = 164 А, p(N2) = 1 Па (а). Вольт-амперные характеристики разряда: кр. 1 - Uf = 146 А, p = 0.8 Па; кр. 2 - Uf = 155 А, p = 0.3 Па (б) Вольт-амперные характеристики разряда (рис. 2, б) имеют растущий вид. Ускорение роста тока по степенному закону при напряжениях горения выше 140 В, вероятно, связано с увеличением температуры вольфрамового термокатода за счет интенсификации процесса его бомбардировки ионами повышенных энергий. Оценим увеличение тока электронов, полученных за счет процессов вторичной ионно-электронной эмиссии со стенок полого катода плазмогенератора, при концентрации плазмы в полом катоде ≈ 1012 см-3 [8]. Принимая несколько завышенные значения коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии γ (0,1) [12] и плотности ионного тока на поверхность полого катода ji (25 мА/см2), получим, что ток γ-электронов должен составлять при внутренней площади стенок полого катода 850 см2 около 2 А, что, конечно, не объясняет значительного роста тока при повышенных значениях напряжения горения разряда. Зависимости тока разряда от рабочего давления, представленные на рис. 3, а, показывают значительное увеличение тока за счет газового усиления при снижении длины свободного пробега электронов. Увеличение рабочего давления с 0.2 до 1 Па, что соответствует пропорциональному снижению длины свободного пробега электронов в полом катоде, приводит к повышению тока разряда на 40-50 % при напряжениях горения 140-200 В. Повышение величины газового усиления при росте напряжения горения разряда вызвано, по-видимому, улучшением процесса утилизации энергии быстрых электронов в реакциях ионизации на их пути к аноду. Зависимости тока разряда от тока накала, представленные на рис. 3, б, подтверждают, что для исследуемых условий основным источником электронов является накаленный катод, а при относительно низких напряжениях горения разряда (до 200 В) полый катод служит лишь как электростатическая ловушка, позволяющая увеличить эффективность утилизации энергии электронов, ускоренных в прикатодном падении потенциала. Об этом свидетельствует близкий по величине угол наклона трех характеристик к оси абсцисс при токах разряда выше 200 А. С использованием зависимостей тока термоэмиссии от тока накала вольфрамовой нити, приведённых в [13], были проведены оценки, которые показывают, что с увеличением тока накала в нити накала диаметром 0.8 мм на несколько ампер ее температура должна возрастать на несколько десятков градусов. В этом случае ток эмиссии при таком изменении температуры должен возрастать на десятки процентов. При условии, что в эксперименте использовалось четыре нити накала, увеличение тока эмиссии может быть пропорционально, что и наблюдается при сравнении характеристик на рис. 3, б, где увеличение тока накала на 5 А приводит к увеличению разрядного тока в 2 раза. Рис. 3. Зависимости тока разряда Id от рабочего давления p: кр. 1 - Ud = 140 В, If = 151 А, кр. 2 - Ud = 200 В, If = 146 А (а). Зависимости тока разряда Id от тока накала If (p = 0.8 Па): кр. 1 - Ud = 200 В, кр. 2 - Ud = 150 В, кр. 3 - Ud = 100 В (б) Проведенные измерения параметров плазмы в центре полого анода в квазистационарном режиме горения разряда для случая приблизительно одинаковой импульсной мощности (таблица) показывают, что величина концентрации плазмы составляет (0.2-0.4)1018 м-3, то есть в несколько раз ниже, чем в полом катоде. То обстоятельство, что при росте напряжения горения разряда с 70 до 200 В при той же импульсной мощности концентрация плазмы снизилась примерно в 1.7 раза, говорит о том, что наиболее эффективными для получения высоких значений концентрации плазмы в центре камеры являются режимы с повышенными значениями тока накала и относительно низкими значениями напряжения горения разряда. Параметры плазмы в центре полого анода (p(N2) = 0.8 Па) Амплитуда напряжения горения разряда Ud, В Ток разряда в импульсе Id, A Ток накала, действ. значение If, A Мощность импульсная Pd_puls, кВт Плотность ионного тока ji , мА/см2 Потенциал плазмы Uп, В Температура электронов Te, эВ Концентрация плазмы n1018, м-3 70 260 177 18,2 6.4 -7.8 0.9 0.38 100 180 157 18 5.7 1 1.4 0.27 150 120 146 18 5 1.5 1.2 0.25 200 100 130 20 4.1 2.5 1 0.23 Повышение напряжения горения разряда не приводит к значительному изменению температуры электронов в плазме и потенциала плазмы. Повышенные значения концентрации плазмы, генерируемой в импульсном режиме, могут быть востребованы в ряде применений [1], при этом величина плотности тока или мощность в разрядном импульсе могут определять тип реакций в плазме и на поверхности материалов и изделий, подвергаемых воздействию. Рис. 4. Зависимости плотности ионного тока из азотной плазмы ji в центре полого анода от мощности в разрядном импульсе Pd puls. Давление азота p = 0.8 Па На рис. 4 представлены зависимости плотности ионного тока из плазмы от мощности в разрядном импульсе при различных значениях напряжения горения разряда. Величина плотности ионного тока может достигать 20 мА/см2 при импульсной мощности в разрядном импульсе 80 кВт. Полученные характеристики имеют практически линейный характер и могут использоваться для оценки рабочих режимов генерации плазмы при решении практических задач. Заключение В результате проведенных исследований реализованы импульсные режимы горения несамостоятельного дугового разряда с накаленным и полым катодом. Длительность фронта нарастания импульсов тока составляет около 150 мкс и практически не зависит от напряжения горения разряда. Вольт-амперные характеристики разряда при повышенных значениях импульсной мощности в разряде и высоких, более 140 В, напряжениях горения показывают, что рост тока происходит по некоторому степенному закону, что, вероятно, связано с увеличением температуры вольфрамового термокатода за счет интенсификации процесса его бомбардировки ионами повышенных энергий. Увеличение рабочего давления с 0.2 до 1 Па приводит к повышению тока разряда на 40-50 % при напряжениях горения 140-200 В в результате газового усиления, вызванного улучшением процессов утилизации энергии быстрых электронов в процессах ионизации. В атмосфере азота при давлении 0.8 Па получены токи разряда до 550 А при напряжении горения разряда до 200 В при максимальной импульсной мощности до 80 кВт. При импульсной мощности разряда 18 кВт концентрация плазмы в центре камеры составила величину около 4•1011 см-3 при плотности ионного тока из плазмы около 6.5 мА/см2, а при росте напряжения разряда с 70 до 200 В при той же импульсной мощности концентрация плазмы снижается примерно в 1.7 раза, что связано с использованием при низком напряжении горения повышенного значения разрядного тока путем увеличения тока эмиссии электронов с накаленного катода.

Скачать электронную версию публикации