Regimes of sustaining the hollow-cathode glow discharge with the hot filament inside the cavity.pdf Введение В настоящее время тлеющие разряды низкого давления с полым катодом широко используются для различных применений. В частности, такие разряды применяются в установках для генерации пучков заряженных частиц [1-4], для генерации жесткого ультрафиолетового излучения [5- 7], в сильноточных коммутирующих приборах [8-20], для генерации плазмы большого объема и модификации свойств поверхности различных материалов [8, 21-28] и т.д. Под термином «разряды низкого давления» имеется в виду, что условия инициирования и поддержания разряда соответствуют левой ветви кривой Пашена, а длина свободного пробега электрона для реакции ионизации сравнима или превышает характерный размер разрядного промежутка. В этих условиях инициирование и поддержание разряда не может обеспечиваться развитием электронных лавин из инициирующих электронов, стартовавших с катода [8, 12, 29]. Часто используемый подход к объяснению механизма поддержания тлеющего разряда низкого давления с полым катодом основан на том, что ток разряда на поверхности катода переносится ионами и электронами, эмитированными с катода за счет ионной бомбардировки [30, 31]. При этом для построения модели поддержания разряда используется классический коэффициент вторичной эмиссии на катоде, показывающий количество вторичных электронов, приходящееся на один ион, падающий на поверхность катода. Коэффициент γ иногда называют обобщенным коэффициентом вторичной электронной эмиссии, подразумевая, что он учитывает и фотоэффект. Однако использовать коэффициент γ для описания тока эмиссии за счет ионной бомбардировки и за счет фотоэффекта можно лишь в том случае, если обе составляющие эмиссионного тока одинаково зависят от тока ионов. Для большинства условий такая ситуация представляет собой скорее исключение, чем правило. Тогда возникает необходимость вводить понятие источника внешней эмиссии, который необходимо рассматривать отдельно. Данный подход был предложен в [8, 16, 32, 33]. В этих работах было введено понятие внешнего тока эмиссии, в который входят ток за счет фотоэмиссии с катода и ток за счет автоэлектронной эмиссии с микронеоднородностей на поверхности катода. Также был введен обобщенный коэффициент вторичной электронной эмиссии, который зависит от внешнего тока эмиссии и включает в себя классический коэффициент. На основе данного подхода было дано объяснение особенностям подержания сильноточного импульсного тлеющего разряда в основном промежутке и слаботочного стационарного тлеющего разряда в узле запуска тиратрона с холодным катодом. Вместе с тем имеются другие виды разряда, в которых предлагаемый подход к описанию механизмов переноса тока и поддержания разряда является перспективным. Это относится к разрядам в установках для модификации свойств поверхности материалов и для генерации плазмы большого объема [23-28]. В таких установках зажигается разряд низкого давления с полым катодом, в которых ток внешней эмиссии задается и меняется принудительно. В частности, речь идет о разряде с полым катодом и нитью накала внутри полости. Данный тип разряда поддерживается в установках для создания плазмы большого объема с использованием генератора плазмы ПИНК [24-26]. Несмотря на то, что разряд в такой системе часто называют несамостоятельным дуговым разрядом, ниже будет показано, что такой тип разряда можно классифицировать как тлеющий разряд с полым катодом и внешней инжекцией электронов. В настоящей работе приведены результаты исследования разряда с полым катодом и нитью накала внутри полости. Получены ВАХ разряда при различных токах накала. Дана интерпретация ВАХ и режимов поддержания разряда. Экспериментальная установка и методики измерений Схематическое изображение экспериментальной установки и схема измерения ВАХ приведены на рис. 1. Электродная система плазменного генератора ПИНК включает в себя цилиндрический полый катод из нержавеющей стали C внутренним диаметром D = 80 мм и длиной 350 мм и термокатод TC, изготовленный из вольфрамовой проволоки диаметром 2 мм и длиной 180 мм. Термокатод размещен на двух изолированных стойках, установленных на дне катодной полости. Расстояние от нити накала до выходного отверстия катодной полости h = 230 мм. Катодная сборка помещена в постоянное магнитное поле 0.1-1 мТл, создаваемое магнитной катушкой. Заземленный анод A выполнен в виде камеры с внутренними размерами 6006006000 мм. Генератор ПИНК монтируется на корпусе камеры A через разделительный диэлектрический фланец. Рис. 1. Схематическое изображение экспериментальной установки и электрическая цепь для получения ВАХ: A - анод; C - полый катод; TC - нить накала (термокатод); id - полный ток разряда; iC - ток на полый катод C; Vf - источник питания накала термокатода; Vd - источник питания разряда Питание термокатода осуществляется от накального трансформатора с управлением от лабораторного трасформатора. Ток накала if переменный с частотой 50 Гц, среднеквадратичной величиной до 170 А при среднеквадратичном напряжении Vf до 12 В. Источник питания разряда представляет собой источник стабилизированного постоянного тока с выходными параметрами 5-120 А, при рабочем напряжении Vd до 70 В. Давление рабочего газа (азот) в камере может меняться в области p = (0.75-7.5)10-3 Торр. В экспериментах мы устанавливали ток разряда id и измеряли напряжение горения разряда Vd и ток в цепи полого катода iC при различных токах накала if и давлениях газа. Фиксированная величина тока накала термокатода определялась в отсутствие разряда. Ток в цепи термокатода определялся как разница между полным током разряда и током в цепи полого катода, iT = id - iC. Типичные осциллограммы полного тока разряда, тока в цепи полого катода и напряжения накала термокатода приведены на рис. 2. Видно, что в условиях рисунка полный ток разряда id стабилизирован на уровне 100 А, а ток в цепи полого катода iC и напряжение накала термокатода Vf имеют колебательный характер и могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. В текущих экспериментах для построения ВАХ измерялись мгновенные значения тока iC в момент времени, когда напряжение накала равно нулю (обозначен на рисунке стрелкой). В этот момент времени полый катод C и термокатод TC находятся под одним потенциалом Vd и ток в цепи полого катода положителен. Рис. 2. Осциллограммы полного тока разряда id, тока в цепи полого катода iC и напряжения накала термокатода Vf, иллюстрирующие методику получения ВАХ разряда; p = 7.5•10-3 Торр, ток накала if = 130 А Результаты и их обсуждение На рис. 3 приведены ВАХ разряда совместно с зависимостями тока в цепи полого катода iC и тока в цепи термокатода iT от напряжения горения разряда Vd. Видно, что при фиксированной величине полного тока разряда id с увеличением давления газа напряжение горения разряда Vd и величина тока в цепи полого катода iC снижаются. С увеличением тока накала термокатода при фиксированной величине полного тока разряда напряжение горения разряда снижается. Примечательно, что большая доля тока разряд протекает в цепи термокатода. В результате, помимо тока накала if на нагрев термокатода влияет и ток разряда iT, протекающий через термокатод. Соответственно в данном случае нельзя говорить о некоторой фиксированной величине тока термоэмиссии при заданной величине тока if. Эмиссия электронов с термокатода с ростом тока iT также будет увеличиваться. Отметим, что существенное влияние тока разряда на накал термокатода имеет место в области высоких токов разряда id. Как отмечалось во введении, рассматриваемый тип разряда часто характеризуют как несамостоятельный дуговой разряд с полым катодом. Термин «дуговой» применяется к данному разряду из-за низкого напряжения горения. Однако данный тип разряда можно классифицировать как тлеющий разряд с полым катодом и внешней инжекцией электронов. Пространство катодной полости C заполнено плазмой отрицательного свечения NG, в полом аноде A поддерживается плазма положительного столба PC. В этом случае для интерпретации механизмов переноса тока в разряде с полым катодом можно привлечь модель, предложенную в [32] и развитую в работах [8, 16, 33]. Основные особенности модели удобно пояснить, опираясь на рис. 4, на котором представлены характерные области разряда и распределения потенциалов. Для упрощения модели плоский анод A помещен непосредственно вблизи выходного отверстия катодной полости C. Рис. 3. Вольт-амперные характеристики разряда и зависимости тока в цепи полого катода iC и тока в цепи термокатода iT от напряжения горения разряда Vd: а) p = 1.9•10-3 Торр, if = 110 А; б) p = = 1.9•10-3 Торр, if = 120 А; в) p = 4.5•10-3 Торр, if = 110 А; г) p = 4.5•10-3 Торр, if = 120 А Пространство катодной полости C заполнено плазмой отрицательного свечения NG. Эта плазма поддерживается благодаря ионизации газа быстрыми электронами, которые эмитируются с катода и ускоряются в катодном слое lC под действием разности потенциалов VС ≈ Vd. Полный ток разряда на поверхности катода i складывается из тока эмиссии iem и тока ионов ii на катод. Ионы движутся на катод в бесстолкновительном режиме под действием разности потенциалов kTe / 2e, которая прикладывается к так называемому предслою [12]. Длина предслоя приблизительно составляет D/2. Характерной особенностью разрядов низкого давления газа является наличие отрицательного потенциального барьера вблизи анода. Часть плазменных электронов, появившихся в плазме за счет ионизации газа быстрыми электронами с катода, может уходить из плазмы на анод, обеспечивая ток разряда на аноде. Это относится к тем электронам, энергия которых достаточна, чтобы преодолеть барьер отрицательного падения потенциала вблизи анода ΔV. Отметим, что, помещая плоский анод непосредственно на выходе из катодной полости, мы, с одной стороны, исключаем из рассмотрения область плазмы положительного столба. С другой стороны, такое упрощение означает, что мы пренебрегаем током ионов из положительного столба в направлении отрицательного свечения. Поскольку мы имеем дело с разрядом с полым анодом большого объема, такое упрощение вполне правомерно. Рис. 4. Схематическое изображение областей разряда и распределений потенциала применительно к модели поддержания тока в разряде с полым катодом В используемом подходе разряд рассматривается как самоорганизующаяся система, параметры которой самосогласованно подстраиваются так, чтобы пропустить ток, запрашиваемый внешней электрической цепью. Другими словами, параметры разряда подстраиваются так, чтобы обеспечить ток ионов на катод, необходимый для воспроизводства электронов за счет вторичных процессов. Эмитированные электроны, в свою очередь, обеспечивают требуемую концентрацию электронов и ионов в плазме, необходимую для прохождения электронного тока на анод и тока ионов на катод. В модели ток эмиссии с поверхности катода iem включает в себя не только ток электронов за счет бомбардировки ионами поверхности катода γii, но также и ток внешней эмиссии iext за счет фотоэффекта и ток за счет автоэлектронной эмиссии с микронеоднородностей на поверхности катода. Кроме того, в рассматриваемом случае в ток внешней эмиссии также входит ток термоэлектронов с поверхности термокатода. Тогда ток эмиссии можно записать в виде . (1) Чтобы характеризовать компоненты тока эмиссии, удобно ввести параметр δ как долю тока внешней эмиссии в токе, возникающем на катоде за счет ионной бомбардировки: . (2) С учетом двух последних выражений можно ввести обобщенный коэффициент вторичных процессов Γ, который зависит от внешнего тока эмиссии и включает в себя классический коэффициент γ: . (3) Тогда полный ток разряда можно записать следующим образом: . (4) Из баланса мощности в плазме можно записать условие самоподдержания разряда. В рассматриваемом случае плазма отрицательного свечения помещена в магнитное поле, создаваемое магнитной катушкой. В результате происходит увеличение траектории электронов за счет закручивающего действия силы Лоренца. Поэтому будем считать, что все электроны, стартовавшие с поверхности катода и термокатода, тратят свою энергию на ионизацию и возбуждение молекул газа, а ток разряда на аноде переносится только плазменными электронами, энергия которых достаточна для преодоления отрицательного потенциального барьера вблизи анода. Также будем считать, что рекомбинационные потери малы и ими можно пренебречь. Тогда баланс мощности в плазме запишется следующим образом: . (5) Левая часть (5) представляет собой мощность, вводимую в плазму электронами, эмитированными с катода и ускоренными в области катодного падения потенциала. В правой части стоят потери мощности за счет ухода ионов на катод и ухода плазменных электронов на анод. Величина V*, входящая в последнее выражение, представляет собой среднюю энергию, которую затрачивают быстрые электроны на один акт ионизации с учетом потерь на возбуждение и упругие соударения, Te - температура электронов в плазме, ΔV - величина отрицательного потенциального барьера вблизи анода. Тогда условие самоподдержания разряда запишется в виде , (6) где величина (7) есть полная энергия, затрачиваемая на один акт ионизации, в которой учитываются также потери на поддержание некоторой электронной температуры в плазме и потери, связанные с уходом электронов на анод. Данный подход позволяет вычислить ток разряда как , (8) где K - коэффициент усиления тока внешней эмиссии. На основе данного подхода можно оценить параметры разряда для условий ВАХ, приведенных на рис. 3. Из эксперимента известны ток разряда и величина катодного падения потенциала, которая фактически равна напряжению горения разряда. Тогда из условия (6) мы можем вычислить обобщенный коэффициент вторичной эмиссии Γ. При вычислениях будем использовать следующие численные значения характерных параметров плазмы полого катода: eV* = 70 эВ, kTe = = 5 эВ, ΔV = 6 В. Результаты оценок представлены в таблице. Прежде всего обращают на себя внимание чрезвычайно высокие значения обобщенного коэффициента вторичной электронной эмиссии. Это означает, что ток внешней эмиссии существенно превышает ток эмиссии с катодной поверхности за счет ионной бомбардировки. Видно, что с увеличением тока разряда id коэффициент Γ уменьшается. Также уменьшается коэффициент δ, а коэффициент усиления тока K увеличивается. Это означает, что с ростом id вклад тока внешней эмиссии в ток разряда уменьшается. На наш взгляд, это связано с тем, что с увеличением тока id напряжение горения разряда также увеличивается. В результате электроны, стартовавшие с катода, набирают больше энергии в катодном слое и эффект полого катода усиливается. Кроме того, учитывая, что максимум сечения ионизации для азота лежит в области 100 эВ, увеличение падения напряжения на катодном слое, для рассматриваемых условий, приводит к более эффективной ионизации газа в катодной полости. Как следствие, ток ионов на катодную поверхность увеличивается. В рамках данного подхода можно объяснить чрезвычайно низкое напряжение горения разряда. Для разрядов с полым катодом, в которых ток внешней эмиссии с катода обеспечивается за счет фотоэффекта и автоэлектронной эмиссии с микронеоднотодностей на катодной поверхности, напряжение горения разряда составляет несколько сотен вольт [8, 16]. В этих условиях величина коэффициента Γ оказывается существенно меньше единицы, а необходимая для прохождения тока концентрация плазмы определяется, главным образом, мощностью, вводимой в плазму электронами, появившимися на поверхности катода вследствие ионной бомбардировки. Поскольку ток внешней эмиссии мал, то требуемая мощность достигается за счет высокого напряжения горения разряда (выражение (6)). Результаты оценок для характерных условий поддержания разряда p, Торр 1.9•10-3 4.5•10-3 if, A 110 120 110 120 i = id, А 10.8 30 42.6 10.8 30 42.6 10.8 30 42.6 10.8 30 42.6 iC, А 2.04 8.1 13.2 2.1 7 11 2 7.7 12.3 2.2 7.3 10.3 iT, A 8.76 21.9 29.4 8.7 23 31.6 8.8 22.3 30.3 8.6 22.7 32.3 VС ≈ Vd, В 42 52 62 41 48 52 37 44 50 34 40 43 Г 2.8 2.1 1.68 2.9 2.33 2.1 3.36 2.63 2.21 3.82 3 2.71 γ 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 ii, А 2.84 9.66 15.9 2.77 9 13.7 2.48 8.3 13.3 2.2 7.5 11.5 γii, A 0.43 1.45 2.38 0.42 1.35 2.1 0.37 1.3 2 0.33 1.13 1.7 iext, A 7.53 18.9 24.3 7.61 19.6 26.8 7.95 20.4 27.3 8.25 21.4 29.4 δ = iext/γii 17.7 13 10.2 18.3 14.6 13 21.4 16.5 19.7 24.5 19 17.1 K = i/iext 1.43 1.59 1.75 1.42 1.53 1.59 1.36 1.47 1.56 1.31 1.4 1.45 В случае настоящих экспериментов ток внешней эмиссии с термокатода оказывается чрезвычайно высок. Поэтому требуемые для прохождения тока параметры разряда обеспечиваются при напряжениях в несколько десятков вольт. Из таблицы следует, что с увеличением тока накала термокатода if величина тока внешней эмиссии увеличивается, а токи ii и γii снижаются. Это можно объяснить следующим образом. Как отмечалось выше, в используемом подходе параметры разряда самосогласованно подстраиваются так, чтобы обеспечить ток ионов на катод, необходимый для воспроизводства электронов за счет вторичных процессов. Эмитированные электроны, в свою очередь, обеспечивают требуемую концентрацию электронов и ионов в плазме отрицательного свечения, необходимую для прохождения электронного тока на анод и тока ионов на катод. При увеличении тока накала термокатода ток термоэмиссии увеличивается. В рамках рассматриваемого подхода это означает, что увеличивается ток внешней эмиссии iext. Тогда для обеспечения того же тока разряда id требуется меньший ток эмиссии с катода γii. Соответственно параметры разряда подстраиваются так, что ток ионов на катод снижается. Из таблицы также видно, что величина тока внешней эмиссии оказывается меньше тока iT. Это означает, что ток на поверхности термокатода переносится не только термоэлектронами, но также и ионами из плазмы отрицательного свечения. Предположим, для определенности, что ток внешней эмиссии с поверхности катода C чрезвычайно мал и им можно пренебречь. Тогда ток ионов на термокатод можно вычислить из следующего соотношения: , (9) а ток ионов на катод СiiC = ii - iiT. В условиях рис. 3, а при токе разряда id = 30 А получим iiT = = 2.63 А и iiC = 7 А. Таким образом основным компонентом тока разряда на поверхности термокатода является ток внешней эмиссии, а ток на поверхности полости C переносится в основном ионами, что характерно для тлеющего разряда низкого давления с полым катодом [8, 12, 16]. Оценки для других точек ВАХ показывают, что доля тока ионов на термокатод может составлять до 20 % от полного тока в цепи термокатода. Заключение Проведены исследования разряда с полым катодом и нитью накала (термокатодом) внутри полости. Получены вольт-амперные характеристики для различных токов накала и давлений газа. Показано, что доля тока разряда в цепи термокатода составляет до 70 % от полного тока разряда. При фиксированной величине полного тока разряда с увеличением давления газа напряжение горения разряда и величина тока в цепи полого катода снижаются. С увеличением тока накала термокатода при фиксированной величине полного тока разряда напряжение горения разряда снижается. Дана интерпретация вольт-амперных характеристик на основе модели разряда с полым катодом, которая учитывает вклад термоэмиссии в ток эмиссии с катода как ток внешней эмиссии. Показано, что для рассматриваемого типа разряда обобщенный коэффициент вторичной электронной эмиссии оказывается значительно больше единицы. Это означает, что ток внешней эмиссии существенно превышает ток эмиссии с катодной поверхности за счет ионной бомбардировки. Тем не менее оценки параметров разряда показали, что ток на поверхности термокатода переносится как термоэлектронами, так и ионами из плазмы отрицательного свечения. Доля тока ионов на термокатод может составлять до 20 % от полного тока на термокатод. При этом ток на поверхности катодной полости переносится главным образом ионами. Поэтому данный тип разряда можно характеризовать как тлеющий разряд с полым катодом и внешней инжекцией электронов. Дано объяснение чрезвычайно низкой величине напряжения горения разряда. Оно обусловлено высокой величиной тока внешней эмиссии с поверхности термокатода. В результате величина мощности, необходимая для поддержания требуемой для прохождения тока концентрации плазмы, достигается при низкой величине катодного падения потенциала.

Скачать электронную версию публикации