Механизмы поддержания плазмы в полом аноде большого объема | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/117

Механизмы поддержания плазмы в полом аноде большого объема

Представлены результаты исследования тлеющего разряда низкого давления с полым катодом и полым анодом большого объема. Получены данные по потенциалу плазмы, концентрации плазмы и температуре электронов в анодной полости. Предложена модель, объясняющая механизмы поддержания плазмы в полом аноде. В основе модели лежит представление о том, что полый анод представляет собой потенциальную ловушку для электронов. При этом ток разряда на аноде переносится не только электронами, но и ионами. Проведены оценки параметров плазмы в полом аноде. Показано хорошее согласие расчетных данных с экспериментом.

Mechanisms of plasma sustaining in large-volume hollow anode.pdf Введение В настоящее время тлеющие разряды низкого давления с полым катодом широко используются в различных областях и технологиях. В частности, такие разряды применяются в установках для генерации пучков заряженных частиц [1-5], для генерации жесткого ультрафиолетового излучения [6- 8], в сильноточных коммутирующих приборах [9-17], для генерации плазмы большого объема и модификации свойств поверхности различных материалов [1, 18-25] 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 разряда не может обеспечиваться одиночными электронами и последующим развитием классических электронных лавин. Для инициирования разряда необходим значительный предпробойный ток электронов с катода [8, 11, 26]. Одним из способов получения плазмы большого объема является использование генератора плазмы с комбинированным накаленным и полым катодом [20-25]. Обычно катодный узел генератора плазмы монтируется на корпусе камеры большого объема. В типичных схемах включения стенки камеры играют роль полого анода. Несмотря на наличие термокатода в катодной полости, разряд в установках такого типа можно характеризовать как тлеющий разряд с полым катодом и внешней инжекцией электронов [27]. Соответственно плазму в полом аноде можно рассматривать как плазму положительного столба. В наших предшествующих работах была предложена модель, позволяющая объяснить механизмы поддержания плазмы отрицательного свечения в катодной полости тлеющего разряда низкого давления [8, 13, 27-29]. Основная идея модели состоит в том, что плазма внутри катодной полости представляет собой потенциальную ловушку для электронов. Эта ловушка образуется за счет катодного падения потенциала между плазмой отрицательного свечения и поверхностью катода. В модели основным компонентом тока разряда на катоде является ток ионов. Электроны эмитируются с катода не только за счет ионной бомбардировки, но также за счет фотоэффекта, взрывной эмиссии, автоэлектронной и термоэмиссии. В настоящее время в литературе при описании тлеющих разрядов с полым катодом основное внимание уделяется вопросам генерации плазмы внутри катодной полости. Проблема генерации плазмы положительного столба в анодной полости практически не обсуждается. Мы полагаем, что область положительного столба, как и область плазмы в катодной полости, представляет собой потенциальную ловушку для электронов, которая формируется отрицательным падением потенциала вблизи полого анода. Соответственно основные положения модели поддержания плазмы в катодной полости можно применить и к механизмам генерации плазмы положительного столба в полости анода. Цель настоящей работы - разработка модели, описывающей механизмы поддержания плазмы в полом аноде большого объема. Для сравнения модели с экспериментом проведены измерения потенциала плазмы, концентрации плазмы и температуры электронов в полом аноде. Экспериментальная установка и методики измерений Схематическое изображение экспериментальной установки и схема измерения приведены на рис. 1. Катодный узел системы зажигания разряда 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. Катодная сборка помещена в постоянное магнитное поле 0.1-1 мТл, создаваемое магнитной катушкой. Заземленный анод A выполнен в виде цилиндрической камеры с внутренним диаметром 600 мм и высотой 750 мм. Полый катод монтируется на дне цилиндрического анода через разделительный диэлектрический фланец, расположенный на оси системы. Рис. 1. Схематическое изображение экспериментальной установки и электрическая цепь для получения вольт-амперных характеристик: 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; probe - одиночный зонд Питание термокатода осуществляется от трансформатора с контролируемым тиристорами переменным током if с частотой 50 Гц и среднеквадратичной амплитудой до 170 А при среднеквадратичной амплитуде напряжения 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 (аргона) в камере составляло p = 2.3 10-3 Торр. Параметры плазмы в анодной полости регистрировались в центре камеры одиночным цилиндрическим зондом Ленгмюра с анодом A в качестве опорного электрода. Результаты зондовых измерений позволили определить температуру электронов в плазме, потенциал и концентрацию плазмы. Результаты и их обсуждение На рис. 2 приведены зависимости потенциала плазмы φpl и концентрации плазмы n в полости анода A в зависимости от величины тока разряда id. Следует отметить, что напряжение горения разряда Vd составляло 50-60 В во всем диапазоне токов. Увеличение тока разряда обеспечивалось за счет увеличения тока накала термокатода. В частности, ток разряда id = 10 А достигался при напряжении горения разряда Vd = 59 В и токе накала if = 118 А. При токе id = 90 А напряжение Vd = = 50 В и ток накала if = 190 А. С ростом тока разряда от 10 до 90 А концентрация плазмы увеличивается от 0.3•1010 до 5.2•1010 см-3. В этих условиях потенциал плазмы имеет положительный знак относительно анода и увеличивается от 5.4 до 6.4 В. Температура электронов во всем диапазоне токов изменяется незначительно, и ее среднее значение составляет (1.4±0.2) эВ. Более детальное описание эксперимента приведено в работе [25]. Рис. 2. Зависимости потенциала плазмы φpl и концентрации плазмы n от тока разряда 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 поддержания плазмы в катодной полости можно привлечь модель, предложенную в статье [28] и развитую в работах [8, 13, 27-29]. Основная идея модели состоит в том, что плазма внутри катодной полости представляет собой потенциальную ловушку для электронов. Эта ловушка образуется за счет катодного падения потенциала между плазмой отрицательного свечения и поверхностью катода. В модели основным компонентом тока разряда на катоде является ток ионов. Электроны эмитируются с катода не только за счет ионной бомбардировки, но также за счет фотоэффекта, взрывной эмиссии, автоэлектронной и термоэмиссии. Характерной особенностью разрядов низкого давления является наличие отрицательного потенциального барьера вблизи анода. В этом случае область положительного столба, как и область плазмы в катодной полости, представляет собой потенциальную ловушку для электронов. Соответственно основные положения модели поддержания плазмы в катодной полости можно применить и к механизмам генерации плазмы положительного столба в полости анода. Основные положения модели удобно пояснить, опираясь на рис. 3, на котором представлены характерные области разряда и распределения потенциалов. Пространство внутри полого катода C диаметром DC и высотой hC заполнено плазмой отрицательного свечения NG. Эта плазма поддерживается за счет ионизации газа электронами, эмитированными с поверхности катода и ускоренными в области катодного падения потенциала lС 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 kTen /2e, которая прикладывается к так называемому предслою [11]. Длина предслоя приблизительно составляет DC/2. На выходе из катодной полости имеется отрицательный потенциальный барьер ΔV1. За счет этого барьера происходит ограничение тока эмиссии электронов из плазмы отрицательного свечения в направлении анода. Ток эмиссии из катодной полости должен быть приблизительно равным полному току разряда, поэтому высота барьера самосогласованно устанавливается таким образом, чтобы удовлетворить этому условию. Рис. 3. Схематическое изображение областей разряда и распределений потенциала применительно к модели поддержания тока в разряде с полым катодом В полом аноде глубиной hА = (d-hC) располагается плазма положительного столба PC. Столб отделен от отрицательного свечения двойным электрическим слоем Δld [18, 28]. Электроны из плазмы отрицательного свечения, которые смогли преодолеть потенциальный барьер ΔV1, ускоряются напряжением ΔV2, входят в анодную полость и обеспечивают ионизацию газа в столбе разряда. За счет равновесия между процессами ионизации и гибели заряженных частиц в столбе поддерживается некоторая концентрация плазменных электронов и ионов. Физически, роль области падения напряжения ΔV2 схожа с ролью области катодного падения потенциала. Как отмечалось, характерной особенностью разрядов низкого давления газа является то, что вблизи анода имеется отрицательный потенциальный барьер. Часть плазменных электронов, появившихся в плазме за счет ионизации газа быстрыми электронами из катодной полости, может уходить из плазмы на анод, обеспечивая ток разряда на аноде. Это относится к тем электронам, энергии которых достаточно, чтобы преодолеть барьер отрицательного падения потенциала вблизи анода ΔV. Для упрощения модели поддержания плазмы положительного столба будем считать, что ток эмиссии электронов из катодной полости в плазму положительного столба ien осуществляется с катода C, расположенного в плоскости y = hC (рис. 3, б). Поскольку площадь сечения катодной полости SC = 50 cм2 много меньше площади анода SА ≈ 2•104 см2, будем считать, что ток ионов на поверхность катода С чрезвычайно мал и полный ток разряда на катоде есть ток эмиссии ien = id. Также предположим, что начальная скорость электронов, стартовавших с катода, равна нулю. Ток на аноде переносится электронами из плазмы положительного столба, энергии которых достаточно для преодоления потенциального барьера вблизи анода и определяется выражением , (1) где ve = (8kTe / πm)1/2 - средняя скорость хаотического движения электронов в плазме PC; Te - температура электронов в плазме. Поскольку мы рассматриваем разряд низкого давления с анодом большого объема, и вблизи анода имеется область отрицательного падения потенциала длиной lA, то часть ионов из плазмы столба может уходить на анод. В предлагаемом подходе ионы будут двигаться на анод в бесстолкновительном режиме под действием разности потенциалов kTe / 2e, приложенной к предслою [11]. Будем считать, что рекомбинационные потери в плазме пренебрежимо малы. Тогда длина области прианодного падения потенциала lA

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Ландль Николай ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ведущ. науч. сотр. ИСЭ СО РАНlandl@lnp.hcei.tsc.ru
Королев Юрий ДмитриевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., профессор, гл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНkorolev@lnp.hcei.tsc.ru
Лопатин Илья ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ст. науч. сотр. ИСЭ СО РАНlopatin@opee.hcei.tsc.ru
Крысина Ольга ВасильевнаИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ст. науч. сотр. ИСЭ СО РАНmail:krysina_82@mail.ru
Франц Олег БорисовичИнститут сильноточной электроники СО РАНнауч. сотр. ИСЭ СО РАНfrants@lnp.hcei.tsc.ru
Аргунов Григорий АлександровичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНargunov.grigory@yandex.ru
Всего: 6

Ссылки

Korolev Y.D. and Koval N.N. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2018. - V. 51. - No. 32. - P. 323001.
Akishev Y.S., Karal’nik V.B., Petryakov A.V., et al. // Plasma Phys. Rep. - 2016. - V. 42. - No. 1. - P. 14.
Gavrilov N.V., Kamenetskikh A.S. // Rev. Sci. Instrum. - 2004. - V. 75. - P. 1875.
Dewald E., Frank K., Hoffman D.H.H., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 1997. - V. 25. - P. 272.
Yushkov G.Y. // Rev. Sci. Instrum. - 2004. - V. 75. - P. 1582.
Bergmann K., Vieker J., and Wezyk A. // J. Appl. Phys. - 2016. - V. 120. - No. 14. - P. 143302.
Borisov V.M., Eltsov A.V., Ivanov A.S., et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2004. - V. 37. - P. 3254.
Rosier O., Apetz R., Bergmann K., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2004. - V. 32. - P. 240.
Lamba R.P., Pathania V., Meena B.L., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2015. - V. 86. - No. 10. - P. 103508.
Yan J.Q., Shen S.K., Wang Y.A., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2018. - V. 89. - No. 6. - P. 065102.
Korolev Y.D. and Frank K. // IEEE Trans. Plasma Sci. -1999. - V. 27. - P. 1525.
Zhang J. and Liu X. // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. - 2017. - V. 24. - No. 4. - P. 2050-2055.
Korolev Y.D., Landl N.V., Geyman V.G., et al. // Phys. Plasmas. - 2018. - V. 25. - No. 11. - P. 113510.
Ландль Н.В., Королев Ю.Д., Гейман В.Г., Франц О.Б. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 8. - С. 13-20.
Ландль Н.В., Королев Ю.Д., Гейман В.Г. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 8. - С. 5-12.
Korolev Y.D., Landl N.V., Geyman V.G., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2015. - V. 43. - No. 8. - P. 2349-2353.
Korolev Y.D., Landl N.V., Geyman V.G., et al. // Plasma Phys. Rep. - 2018. - V. 44. - No. 1. - P. 110-117.
Kondrat’eva N.P., Koval N.N., Korolev Y.D., and Schanin P.M. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1999. - V. 32. - P. 699.
Иванов Ю.Ф., Лопатин И.В., Петрикова Е.А. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 11. - С. 137-142.
Lopatin I.V., Akhmadeev Y.H., and Koval N.N. // Rev. Sci. Instrum. - 2015. - V. 86. - P. 103301.
Koval N.N., Ivanov Y.F., Lopatin I.V., et al. // Russ. J. General Chem. - 2015. - V. 85. - P. 1326.
Koval N.N., Ryabchikov A.I., Sivin D.O., et al. // Surf. Coat. Technol. - 2018. - V. 340. - P. 152.
Akhmadeev Y.H., Denisov V.V., Koval N.N., et al. // Plasma Phys. Rep. - 2017. - V. 43. - No. 1. - P. 67.
Девятков В.Н., Коваль Н.Н. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 9. - С. 44-48.
Krysina O.V., Koval N.N., Lopatin I.V., et al. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2016. - V. 669. - P. 012032.
Kozyrev A.V., Korolev Y.D., Rabotkin V.G., and Shemyakin I.A. // J. Appl. Phys. - 1993. - V. 74. - No. 9. - P. 5366-5371.
Ландль Н.В., Королев Ю.Д., Гейман В.Г. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 12. - С. 59-67.
Korolev Y.D., Frants O.B., Landl N.V., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2013. - V. 41. - No. 8. - P. 2087.
Korolev Y.D., Landl N.V., Geyman V.G., et al. // Plasma Phys. Rep. - 2016. - V. 42. - No. 8. - P. 799-807.
 Механизмы поддержания плазмы в полом аноде большого объема | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/117

Механизмы поддержания плазмы в полом аноде большого объема | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/117