Протяженный цилиндрический плазменный эмиттер на основе дугового разряда низкого давления для генерации радиально расходящегося электронного пучка | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/87

Протяженный цилиндрический плазменный эмиттер на основе дугового разряда низкого давления для генерации радиально расходящегося электронного пучка

Представлены результаты исследований процессов генерации пучково-плазменного образования в протяженном цилиндрическом полом сеточном аноде диаметром 115 мм и длиной около 1 м несамостоятельного дугового разряда низкого давления с накаленным и полым катодами. Зондовым методом измерены продольные распределения параметров плазмы внутри сеточного полого анода дугового разряда для различных условий горения с и без потока ионов, инжектируемых из плазмы основного тлеющего разряда, для которого сеточный полый анод являлся плазменным эмиттером электронов. Получены распределения плотности ионного тока на зонд внутри цилиндрического анода дугового разряда (эмиттера электронов) при изменении рабочего давления, величины продольного магнитного поля в полом катоде дугового источника плазмы, тока дугового разряда. В протяженном плазменном эмиттере формируются неодинаковые условия образования плазмы, приводящие к возникновению потенциального барьера для распространения дуговой плазмы. Эмиссия ионов из плазмы тлеющего разряда в пучково-плазменное образование внутри протяженного сетчатого плазменного эмиттера позволяет значительно снизить неоднородность формируемой в нем плазмы. Полученные результаты показывают возможность формирования относительно однородных протяженных пучково-плазменных образований внутри протяженного сеточного анода дугового разряда в условиях инжекции внешнего потока ионов через ячейки сетки.

Extended cylindrical plasma emitter based on the low pressure arc discharge for generation of a radial dividing electron.pdf Введение Целый ряд актуальных задач современного машиностроения может быть решен с использованием плазмы разрядов низкого давления, в том числе в области финишной обработки поверхности материалов и изделий. Для удовлетворения ряда требований по качеству обработки поверхности металлических изделий необходимо обеспечить независимую регулировку основных параметров технологических процессов, к которым относятся давление газовой смеси, состав газа, плотность ионного тока, энергия ионов, температура обработки. Дуговые и тлеющие разряды низкого давления с полым катодом отвечают этим требованиям. Одним из основных ограничений, препятствующих внедрению ионно-плазменного оборудования на основе разрядов низкого давления в промышленное производство, является необходимость обеспечения высокой однородности генерируемой плазмы в больших (> 0.1 м3) вакуумных объемах. Многообещающим с точки зрения формирования плазмы с низкой степенью неоднородности и независимой регулировкой основных рабочих параметров является несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом с внешней инжекцией электронов в плазму тлеющего разряда [1]. В то же время было показано некоторое снижение концентрации плазмы при удалении от области инжекции [2], а также существенное влияние формы выходной апертуры эмиттера электронов на однородность распределения ионного тока [3], в том числе и уменьшение амплитуды тока в области геометрической тени, создаваемой обрабатываемыми деталями. Неравномерность еще более усиливается, если зона геометрической тени находится на значительном удалении от области инжекции. Для решения проблемы неоднородности концентрации плазмы в пучково-плазменных образованиях, формируемых в несамостоятельном тлеющем разряде, предлагается использовать электродную систему, симметричную относительно центральной оси цилиндрического полого катода. В такой системе инжекция электронов из протяженного цилиндрического полого сеточного эмиттера, располагающегося на оси полого катода и вдоль нее (рис. 1), позволит создавать одинаковые с точки зрения генерации плазмы условия. Изделия, поверхность которых будет подвергаться ионно-плазменной обработке, располагаются по периметру электродной системы между плазменным эмиттером электронов и стенками полого катода тлеющего разряда. Цель исследований - определение закономерностей влияния условий горения дугового разряда на процессы генерации плазмы в протяженном сетчатом цилиндрическом аноде (плазменном эмиттере электронов). В частности, в ходе данной работы выявлялись режимы работы разрядной системы, при которых достигалась наибольшая однородность распределения плотности ионного тока по длине эмиттера при сохранении стабильности горения разряда. Описание экспериментальной установки Схематичное изображение экспериментального стенда представлено на рис. 1. В основе стенда лежит вакуумная камера цилиндрической формы, высотой 1200 мм и диаметром 600 мм, объем камеры составляет приблизительно 0.34 м3. На основаниях камеры расположены отверстия диаметром 250 мм с креплением под фланец для установки плазмогенератора и диагностического оборудования. Рис. 1. Схема экспериментальной установки На нижнем основании камеры устанавливался плазменный источник с накаленным и цилиндрическим полым катодами (далее - ПИНК) [4], на верхнем - фланец с переходником и вводом Вильсона. Выход полого катода ПИНКа был перекрыт диафрагмой с отверстием диаметром 15 мм. Ввод располагался таким образом, чтобы его ось совпадала с осью протяженного сетчатого анода дугового разряда. Этот протяженный сетчатый анод (эмиттер электронов) устанавливался в центре камеры и представлял собой полый сетчатый цилиндр диаметром 115 мм и длиной 1050 мм, размер ячейки сетки составлял 0.4×0.4 мм с геометрической прозрачностью около 45 %. Верхнее основание было перекрыто металлическим диском с отверстием для ввода электрического зонда во внутреннюю полость. Сетчатый эмиттер устанавливался таким образом, чтобы ось эмиттера совпадала с осью полого катода ПИНКа. Стальное основание эмиттера прилегало к нижнему основанию камеры и было электрически соединено с полым катодом тлеющего разряда. Вакуумный объем откачивался до давления около 5•10-3 Па турбомолекулярным насосом. Во всех экспериментах в качестве рабочего газа использовался аргон. Напуск газа осуществлялся через ПИНК, давление p варьировалось от 0.2 до 0.8 Па. Функционально система разделена на две части - для генерации плазмы тлеющего разряда с дополнительной инжекцией электронов (далее - тлеющий разряд) и генерации дуговой плазмы в несамостоятельном дуговом разряде с полым и накаленным катодами (далее - дуговой разряд). Тлеющий разряд зажигался между полым катодом, роль которого выполняли внутренние стенки вакуумной камеры и сетчатый эмиттер, и расположенным внутри объема вакуумной камеры плоским анодом. Плоский анод крепился на двери камеры и представлял собой пластину, расположенную параллельно оси камеры. Соотношение площадей анода и катода составляло Sa : Sc = = 1 : 50. Электропитание тлеющего разряда осуществлялось от источника напряжения с параметрами: амплитуда напряжения - 10-300 В, импульсный ток - 1-400 А при среднем токе до 120 А, максимальная средняя мощность - 30 кВт, частота следования импульсов - 1-1000 Гц, коэффициент заполнения импульсов - 1-100 %. Источник питания позволяет предотвращать появление микродуг на поверхности катода. Плазма тлеющего разряда предназначена для использования в технологических целях и в данной работе не исследовалась. В качестве источника электронов использовался дуговой разряд, который зажигался между цилиндрическим катодом ПИНКа и сетчатым эмиттером (в данном случае являлся полым анодом дугового разряда). В рабочем режиме часть потока электронов, эмитируемых из плазмы дугового разряда, проходила через ячейки сетки и попадала в прикатодное падение потенциала тлеющего разряда, ускорялась в нем и осциллировала в полом катоде, генерируя плазму. Электропитание дугового разряда осуществлялось от источника постоянного тока с параметрами: амплитуда тока - до 100 А, напряжение - до 60 В. Электропитание накала осуществлялось от источника переменного тока с параметрами: действующее значение тока - до 200 А, напряжение - до 35 В, частота повторения - 2 кГц, форма тока - прямоугольная биполярная с коэффициентом заполнения 70 %. Электропитание катушки, создающей продольное магнитное поле в катодной полости ПИНКа, осуществлялось от источника стабилизированного тока с амплитудой от 0.1 до 1 А, что позволяло создавать магнитное поле с индукцией до 30 мТл. Общий вид установки представлен на рис. 2. Рис. 2. Общий вид установки Для проведения измерений параметров плазмы использовался одиночный цилиндрический зонд Ленгмюра диаметром 0.8 мм и длиной 9.5 мм (рис. 3). Зонд был введен в камеру через ввод Вильсона, расположенный на верхнем фланце, через отверстие в верхнем основании, и попадал в полость эмиттера электронов. Диаметр корпуса зонда составлял 12 мм, длина - 1300 мм. Длина корпуса зонда позволила провести зондовые измерения параметров плазмы по всей длине плазменного эмиттера. Исследование плазмы дугового разряда осуществлялось в условиях горения тлеющего разряда и при его отсутствии. Измерения проводились на расстоянии r от 0 до 100 см от основания полого катода с шагом 20 см. Выходная апертура источника дуговой плазмы находилась ниже основания камеры на 5 см. Было проведено две серии экспериментов. Рис. 3. Зонд Ленгмюра (а) и его расположение на верхнем фланце камеры (б) В первой серии зонд подключался к катоду дугового разряда через резистор 1 кОм и работал в режиме ионного коллектора [5]. Измерение показаний тока Ic осуществлялось с помощью осциллографа Tektronix TDS2014С. В данной серии проводилось измерение распределения плотности ионного тока на зонд при изменении тока дугового разряда, рабочего давления газа и тока магнитной катушки ПИНКа. Во второй серии экспериментов проводилось измерение распределения основных параметров плазмы для режима с током ПИНКа 50 А, током катушки магнитного поля 1 А, давлением рабочего газа 0.4 Па и при работе с тлеющим разрядом при напряжении горения тлеющего разряда 150 В. Данный режим был выбран по результатам первой серии экспериментов и показал лучшую однородность распределения ионного тока по высоте эмиттера при сохранении стабильности горения разряда. Характеристики плазмы определялись с помощью автоматизированной системы зондовых измерений параметров плазмы [6], внешний вид и интерфейс программного обеспечения показан на рис. 4. Автоматизированная система подключалась к зонду относительно анода и производила подачу биполярного растущего напряжения смещения на зонд амплитудой до 100 В, регистрацию показаний напряжения и тока зонда, а также сохранение полученных зондовых характеристик на персональном компьютере для дальнейшего вычисления параметров плазмы. а б Рис. 4. Внешний вид автоматизированной системы зондовых измерений параметров плазмы (а) и интерфейс программного обеспечения (б) Результаты исследований и их обсуждение Измерения распределений ионного тока на зонд производились при давлениях p = 0.2, 0.4 и 0.8 Па, токах дугового разряда Idis = 25 и 50 А, токах катушки магнитного поля источника газовой плазмы Icoil = 0.3, 0.6 и 1 А. Полученные распределения представлены на рис. 5. За нулевое положение зонда принято расстояние 5 см от плоскости нижнего основания камеры и полого сеточного анода. Из рис. 5 видно, что ток на зонд без зажигания тлеющего разряда с полым катодом экспоненциально спадает при удалении от выходной апертуры источника дуговой плазмы и на расстоянии 60 см практически достигает нуля. Характерный вид распределения не зависит от параметров горения разряда. Уменьшение однородности распределения при повышении давления, вероятно, связано с уменьшением длины свободного пробега частиц и более интенсивными процессами ионизации вблизи выходной апертуры ПИНКа. Высокие значения плотности ионного тока на зонд вблизи выходной апертуры также объясняются наличием диафрагмы на выходе источника плазмы на расстоянии до нулевого положения зонда около 5 см. Рис. 5. Зависимости ионного тока по длине полого сеточного анода при отсутствии тлеющего разряда от давления (а), тока катушки магнитного поля (б) и тока дугового разряда (в) Для детального понимания процессов плазмообразования вблизи выходной апертуры источника плазмы были измерены распределения параметров дуговой плазмы вдоль оси цилиндрического анода. Измерения проводились при давлении аргона 0,4 Па, токе источника дуговой плазмы 50 А, токе катушки магнитного поля 1 А. Полученные распределения параметров плазмы представлены на рис. 6. Рис. 6. Распределение параметров плазмы в полом аноде плазменного эмиттера при отсутствии тлеющего разряда: а - потенциал плазмы, б - концентрация плазмы, в - температура электронов На распределении потенциала плазмы имеется минимум на расстоянии 20 см от диафрагмы, за которым следует увеличение потенциала плазмы на 5 В, т.е. формируется потенциальный барьер для электронов. График продольного распределения температуры электронов показывает, что потенциальный барьер (r > 20 см) преодолевают только быстрые электроны, чья энергия выше величины барьера. Абсолютные значения температуры электронов и потенциала плазмы характерны для данного типа разряда, а их несколько большие значения, ≈ 2 эВ, объясняются наличием диафрагмы на выходе полого катода несамостоятельного дугового разряда. На расстояниях более 60 см при отсутствии тлеющего разряда не удалось измерить зондовую вольт-амперную характеристику ввиду малой амплитуды тока зонда. Можно сделать вывод, что для данных экспериментальных условий плазма формируется на расстоянии не более 60 см от диафрагмы источника дуговой плазмы. Одной из основных причин является возможность замыкания электронной компоненты дуговой плазмы на близлежащие участки сеточного анода. В целом параметры плазмы соответствуют полученным ранее данным [4, 7, 8]. Для определения влияния внешнего потока ионов на характер продольного распределения параметров плазмы внутри полого сеточного анода зажигался тлеющий разряд с напряжением горения 150 В. На рис. 7 представлены распределения ионного тока на зонд при зажигании стационарного тлеющего разряда. Максимальный ток тлеющего разряда во всех режимах не превышал 80 А. В случае зажигания тлеющего разряда ионный ток на зонд фиксируется по всей длине цилиндрического анода, при этом измеренные значения, не считая точки в «нулевом» положении зонда, отличаются в 1.5-3 раза. Снижение степени неоднородности плотности ионного тока на зонд при давлении 0.2 Па обусловлено, как и в других исследованиях, увеличением длины свободного пробега заряженных частиц в полом аноде [2] и повышением вероятности ионизации на отдаленных от выходной апертуры источника дуговой плазмы участках полого анода. Слабая зависимость величины тока катушки магнитного поля на процессы плазмообразования в протяженном эмиттере объясняется относительно большим расстоянием до исследуемой зоны, где магнитное поле незначительно. При повышении тока разряда наблюдается ожидаемый пропорциональный рост тока на зонд. Для всех зависимостей характерно наличие резкого спада тока на зонд на участке анода 40- 60 см от диафрагмы. Рис. 7. Зависимости ионного тока на зонд по длине полого сеточного анода при горении тлеющего разряда от давления (а), величины тока катушки магнитного поля (б) и тока дугового разряда (в) Зондовые измерения параметров плазмы вдоль оси полого сеточного анода проводились при тех же значениях давления аргона (0.4 Па), тока источника дуговой плазмы (50 А), тока катушки магнитного поля (1 А), а напряжение горения тлеющего разряда составляло 150 В. Чтобы исключить влияние тока ионов, инжектируемых из плазмы тлеющего разряда, на определяемую величину, расчет концентрации плазмы проводился по электронной ветви вольт-амперной характеристики цилиндрического зонда. Полученные распределения параметров плазмы представлены на рис. 8. Рис. 8. Распределение параметров плазмы в полом аноде плазменного эмиттера при наличии тлеющего разряда: а - потенциал плазмы, б - концентрация плазмы, в - температура электронов В случае горения тлеющего разряда распределения параметров плазмы значительно изменяются. Ионный ток на зонд фиксируется вдоль всего полого анода. Минимум потенциала плазмы регистрируется на расстоянии около 60 см. Потенциальный барьер для электронов дуговой плазмы смещается примерно на 40 см дальше от выходной апертуры источника плазмы. Величина градиента потенциала существенно больше, чем средняя температура электронов в этой области. Это может говорить о том, что в объеме полого анода существуют два механизма генерации плазмы, обусловленных разными процессами. На участке сеточного анода до градиента потенциала плазмы ее формирование определяют процессы распространения дуговой плазмы, эмиссии электронов и инжекции потока ионов, а на расстоянии r > 60 см важнейшим становится механизм генерации за счет потока ионов из плазмы тлеющего разряда, при этом поток высокоэнергетичных электронов из дуговой плазмы также попадает в эту область, компенсируя заряд ионов. Измеренная температура этих электронов составляет около 3 эВ (r = 60 см), однако эти электроны из дуговой плазмы потеряли несколько электронвольт энергии на преодоление потенциального барьера. Наиболее вероятный механизм образования плазменных ионов в этой области - явление перезарядки быстрых ионов на нейтральных атомах газа, электронный ток обеспечивается за счет поступления быстрых электронов из источника дуговой плазмы и гамма процессов на внутренней поверхности сетки. Необходимо отметить, что, вероятно, часть электронов из этой области ускоряется при движении в сторону источника дуговой плазмы, частично компенсируя таким образом отток эмиссионных электронов. Оценка величины плотности ионного тока в эмиттер со стороны тлеющего разряда с учетом прозрачности сетки по всей площади эмиттера составляет около 0.8 мА/см2, что, в свою очередь, при расчете с учетом измеренной температуры электронов соответствует концентрации (2-5)•1010 см-3. Это косвенно подтверждает, что основным фактором, определяющим генерацию плазмы на участке r > 60 см в цилиндрическом плазменном эмиттере, является поток ионов из плазмы тлеющего разряда. Значительное расширение зоны распространения дуговой плазмы (r > 60 см) при инжекции ионов из плазмы тлеющего разряда объясняется увеличением проводимости плазмы (σ = e2ne/meνe, где ne - концентрация плазмы, me - масса электрона, νe - частота столкновений электронов) за счет увеличения концентрации плазмы при перезарядке быстрых ионов на нейтральных атомах газа. Увеличение потенциала плазмы на расстоянии 100 см, вероятно, связано с частичной экранировкой ионного потока в этой области кольцом, обеспечивающим жесткость конструкции сеточного протяженного анода (см. рис. 2). Заключение Полученные распределения плотности ионного тока вдоль оси протяженного цилиндрического полого анода несамостоятельного дугового разряда при отсутствии тлеющего разряда показывают слабую зависимость формы распределений от таких условий горения дугового разряда, как рабочее давление, ток источника дуговой плазмы, ток катушки магнитного поля. Зависимости экспоненциально спадают практически до нуля на расстоянии около 60 см от выходной апертуры источника дуговой плазмы. При зажигании тлеющего разряда ионный ток на зонд регистрируется по всей длине полого сеточного анода дугового разряда (эмиттера электронов). Наименьшая неоднородность наблюдается при относительно низком давлении (0.2 Па). Увеличение тока дугового разряда приводит к пропорциональному росту ионного тока по всей длине эмиттера электронов. Магнитное поле на распределение параметров плазмы практически не влияет. Наличие потенциального барьера в области 40-60 см, а также существенный спад концентрации плазмы в этой области указывает на неодинаковые условия формирования плазмы в разных областях протяженного сетчатого анода дугового разряда. В области r < 60 см в условиях инжекции потока ионов из плазмы тлеющего разряда более эффективно распространяется дуговая плазма. В области r > 60 см плазма формируется в основном за счет перезарядки инжектируемых быстрых ионов на нейтральных атомах аргона, положительный заряд которых компенсируется, вероятнее всего, быстрыми электронами из дугового разряда, преодолевшими потенциальный барьер, и электронами, возникающими в результате γ-процессов на внутренней поверхности сетки. Полученные результаты показывают возможность формирования относительно однородных пучково-плазменных образований внутри протяженного сеточного анода дугового разряда в условиях внешнего потока ионов через ячейки сетки. Такой метод формирования пучково-плазменных образований можно использовать для создания протяженных плазменных сеточных эмиттеров электронов для генерации стационарных, квазистационарных и импульсных радиально-расходящихся потоков электронов с относительно однородным распределением плотности эмиссионного тока, которые найдут применение как для научных исследований, так и в технологических целях.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Ковальский Сергей СергеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ЛППИП ИСЭ СО РАНskov@sibmail.com
Денисов Владимир ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., зав. лаб. ЛППИП ИСЭ СО РАНdenisov@opee.hcei.tsc.ru
Коваль Николай НиколаевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.т.н., гл. науч. сотр. ЛПЭЭ ИСЭ СО РАНkoval@hcei.tsc.ru
Островерхов Евгений ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНаспирант ЛПЭЭ ИСЭ СО РАНevgeniy86evgeniy@mail.ru
Всего: 4

Ссылки

Визирь А.В., Окс Е.М., Щанин П.М., Юшков Г.Ю. // ЖТФ. - 1997. - Т. 67. - Вып. 6. - С. 27-31.
Denisov V.V., Akhmadeev Yu.H., Koval N.N. et al. // Phys. Plasmas. - 2019. - V. 26. - P. 123510.
Ostroverkhov E.V., Denisov V.V., Lopatin I.V., and Koval N.N. // IOP Conf. Ser.: J. Phys.: Conf. Ser. - 2018. - V. 1115. - P. 032012.
Денисов В.В., Ахмадеев Ю.Х., Коваль Н.Н. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 3. - С. 138-142.
Denisov V.V., Kovalsky S.S., Koval N.N., et al. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2017. - V. 927. - P. 012014.
Ковальский С.С., Денисов В.В., Коваль Н.Н., Лопатин И.В. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 11/3. - C. 78-82.
Ковальский С.С., Денисов В.В., Коваль Н.Н., Лопатин И.В. // Изв. вузoв. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 9/2. - C. 166-170.
Lopatin I.V., Akhmadeev Y.H., Koval N.N., and Kovalsky S.S. // J. Phys.: Conf. Ser. 14th Int. Conf. «Gas Discharge Plasmas and Their Applications». - 2019. - Р. 012046.
 Протяженный цилиндрический плазменный эмиттер на основе дугового разряда низкого давления для генерации радиально расходящегося электронного пучка | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/87

Протяженный цилиндрический плазменный эмиттер на основе дугового разряда низкого давления для генерации радиально расходящегося электронного пучка | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/87