Mechanism of the high effective generation of electron beams in high-voltage discharge in helium and its mixtures with o.pdf Введение Высоковольтные тлеющие разряды в гелии, азоте, кислороде и смесях этих газов в течение длительного времени успешно используются для генерации электронных пучков (ЭП) в разрядах низкого (менее 1 Торр) [1, 2] и среднего (до 30 Торр) давления [3-5]. Тем не менее идентификация физических процессов, приводящих к высокоэффективной генерации ЭП, остается дискуссионной темой. Так, полярными являются выводы разных авторов о роли фотоэмиссии в высоковольтных разрядах: от полного отрицания её какой-либо измеримой доли по сравнению с кинетической эмиссией под действием быстрых атомов и ионов [6-8] до преобладания фотоэмиссии в ряде типов разрядов, генерирующих ЭП [3, 4, 9, 10]. Противоречивыми являются и данные по коэффициентам кинетической эмиссии под действием быстрых атомов γf в диапазоне энергий w = 100- 2000 эВ, характерных для высоковольтных разрядов. Так, величина γf в современных работах при w = 1 кэВ принята равной γf = 0.02 [11] по сравнению с γf = 0.2 в более ранних работах [12, 13] и с γf = 1.2, взятой из [14] и используемой в работах [6-8] и многих других. Перечисленные противоречия, перечень которых в реальности значительно шире, безусловно, сдерживает прогресс в применении электронных пучков кэВ-диапазона энергий, генерируемых в газовом разряде. На наш взгляд, эти противоречия вызваны в основном двумя причинами: несоответствием величин γi и γf из работы [14] реальным условиям в разряде в гелии, в том числе с молекулярными примесями (γi - коэффициент эмиссии под действием ионов); неконтролируемыми условиями по составу рабочей среды и состоянием поверхности катодов. Определенный вклад в противоречивость выводов также вносит и использование заниженной величины коэффициента фотоэмиссии γph ≈ 0.03-0.05 под действием резонансных фотонов гелия [15, 16], полученных в вакуумных условиях, по сравнению с γph ≈ 0.2-0.3 в реальном гелиевом разряде [13, 17-18]. В рамках настоящей работы ставится следующая цель - исследовать основные характеристики высоковольтных разрядов в гелии, кислороде, азоте и их смесях. Главное внимание уделяется изучению эмиссионных свойств холодных катодов, ВАХ разряда и эффективности генерации ЭП. Экспериментальная установка и результаты исследования Исследования проведены в тщательно обезгаженных и оттренированных ячейках с гелием высокой чистоты, в котором не детектируются полосы молекулярных газов. Использовались ячейки с катодом из титана с диаметром рабочей части 12 мм. На расстоянии 21 мм от катода устанавливался анод - коллектор электронов. Измерение мощности ЭП с точностью не хуже 1 % проводилось с помощью калиброванных термодатчиков, установленных на боковой стенке ячейки и коллекторе электронов. В прикатодной области устанавливались зонды, позволяющие определить величину и протяженность катодного падения потенциала. В чистом гелии по мере повышения давления наблюдаются ВАХ трёх типов (рис. 1). При pHe < 4 Торр они имеют вид плавно возрастающих кривых (зависимость 1). При pHe ≈ 10 Торр существует диапазон напряжений ΔU = 400-1500 В, когда ток не зависит от напряжения (зависимость 2). При рHe > 12 Торр в широком диапазоне U может реализоваться падающая ВАХ (зависимость 3). При U > 2 кВ реализуется быстро возрастающая ВАХ, подчиняющаяся закону j ~ U x (j - плотность тока) c показателем до x ≈ 10 в непрерывном режиме и до x ≈ 15 в квазинепрерывном при длительности прямоугольного импульса 1.5 мс. Введение молекулярных примесей уже в небольших количествах резко увеличивает ток и устраняет нерегулярности в ВАХ. При содержании кислорода O2 ~ 1.5 % в гелии при pHe = 4 Торр и U = 1.5 кВ ток возрастает более чем в 200 раз (зависимость 4). В чистых молекулярных газах зависимости j(U) имеют плавно возрастающий характер, но ток намного меньше, чем в смесях с гелием при таком же парциальном давлении (зависимость 5), а уменьшение давления для одного и того же значения тока характеризуется значительным возрастанием напряжения (зависимость 6). Рис. 2. Зависимости от давления гелия pHe (1-4) и напряжения U (5, 6) эффективности генерации ЭП ηw в He (1, 2); He-О2 pO2 = 15 мТорр (3, 4); О2 pO2 = 110 мТорр (5) и N2 pN2 = 73 мТорр (6): U = 3.5 кВ (1-4) Рис. 1. ВАХ непрерывного разряда: He (1-3); He-О2 (4) и О2 (5, 6): pHe = 4 (1, 4), 10 (2) и 28 Торр (3); pO2 = = 65 (4), 73 (5) и 190 мТорр (6) Характер изменения эффективности генерации ЭП, под которой понимается величина ηw = = (Рст+РКЭ)/(I×U), где Pст и РКЭ соответственно мощности, рассеиваемые на стенке трубки дрейфа и коллекторе электронов (КЭ); I×U - мощность, вкладываемая в ячейку; I - ток разряда, существенным образом зависит от условий эксперимента. В чистом гелии при рHe ≈ 1 Торр ηw невелика, но возрастает по мере повышения давления, достигая величины ηw ≈ 0.85 при рHe ≈ 12.5 Торр и U = = 3.5 кВ (рис. 2, зависимость 1) и ηw ≈ 0.74 при рHe ≈ 10 Торр и U = 2.5 кВ (зависимость 2). В присутствии азота или кислорода, наоборот, наиболее высокая эффективность достигается при пониженном рHe (зависимости 3 и 4). В чистых газах - кислороде и азоте - эффективность возрастает до давления ~ 150 мТорр, а затем постепенно уменьшается. Во всех случаях с ростом U происходит монотонное возрастание ηw. При U = 5.5 кВ она достигает величины ηw ≈ 0.86 для кислорода и ηw ≈ 0.8 для азота (зависимости 5 и 6 нанесены на шкалу рис. 2 с U до 6 кВ) Обсуждение результатов Полученные результаты позволяют обосновать новый подход к интерпретации эмиссионных явлений с холодных катодов в разрядах в гелии и молекулярных газах и формированию ЭП. Исходя из характера ВАХ в чистом гелии при разных давлениях и принимая во внимание результаты изучения «открытого» разряда из работы [19], заключаем, что при повышенных давлениях гелия рHe > 10 Торр и U < 400 В эмиссия электронов осуществляется за счет фотоэмиссии под действием резонансных вакуумных ультрафиолетовых (ВУФ) фотонов и потенциальной эмиссии под действием ионов и метастабильных атомов и слабо зависит от величины E/N до E/N ≈ 10-14 Всм2 [20, 21] (Е - напряженность электрического поля, N - концентрация частиц). При E/N > 10-14 Всм2 таунсендовский коэффициент размножения электронов проходит максимум [4, 22] и в этих же условиях начинает сказываться убегание электронов из области катодного падения потенциала [6]. В результате происходит замедление темпа роста ВАХ вплоть до получения отрицательного показателя в зависимости j ~ U x до таких U, при которых большинство электронов переходит в режим убегания и формирует ЭП. Торможение ЭП в дрейфовом пространстве приводит к интенсивному ВУФ-излучению, преобладанию фотоэмиссии и быстрому росту ВАХ вплоть до показателя х ≈ 10. Важно отметить, что такое поведение ВАХ наблюдается только при повышенных давлениях гелия рHe > 5 Торр, при котором осуществляется эффективное торможение ЭП в дрейфовом пространстве и генерация резонансных ВУФ-квантов гелия. Наличие уже следов молекулярных примесей приводит к тому, что ионы гелия перезаряжаются на молекулах примеси. Ионы примеси ускоряются до энергии порядка eUc (Uc - катодное падение потенциала) и вызывают эффективную кинетическую эмиссию с γ > 1 [14, 23]. Исходя из полученной величины эффективности генерации ЭП, которая в случае кинетической эмиссии ηw = /( + 1) ( - суммарный коэффициент эмиссии на один ион под действием быстрых тяжелых частиц), величина достигает значения = 6 в кислороде и = 3.8 в азоте. В гелиевом разряде величины намного меньше, < 1 при U = 4 кВ в [12], а в [11] < 1 при U < 10 кВ. Это противоречит предположениям о высоких значениях в других работах, вычисленных на основании данных из [13]. Особенность последней публикации [13] состоит в том, что её авторы в течение длительного времени работали с пучками азота N2 c энергией до 1 кэВ. В [24] отмечается, что полученные в условиях [13] данные по γ соответствуют поверхностям, легированным азотом. Поэтому они неприменимы для разрядов в чистом гелии. Таким образом, в настоящей работе показано, что высокая величина эффективности генерации электронного пучка может быть получена в тлеющих разрядах в He, O2, N2. В гелии она обеспечивается преобладанием фотоэмиссии, в кислороде и азоте или их смесях с гелием - в основном кинетической эмиссией под действием быстрых молекул.

Скачать электронную версию публикации