Current distribution over the hollow-cathode surface for low-pressure glow discharge.pdf Введение В настоящее время тлеющие разряды низкого давления с полым катодом широко используются в различных областях. В частности, такие разряды применяются в установках для генерации пучков заряженных частиц [1-4], для генерации жесткого ультрафиолетового излучения [5, 6], для генерации плазмы большого объема, модификации свойств поверхности различных материалов [1, 7-11] и т.д. Одним из применений является использование данного разряда в сильноточных коммутирующих приборах - тиратронах с холодным катодом [1, 12-17]. Область рабочих давлений газа в тиратронах соответствует левой ветви кривой Пашена. В таких условиях как для случая самопробоя, так и для принудительного запуска прибора требуется значительный предпробойный ток из основной катодной полости в основной промежуток тиратрона [1, 14, 18-20]. В случае принудительного запуска этот ток обеспечивается за счет специального узла запуска разрядника, который обычно располагается в основной катодной полости. В настоящее время разработаны различные типы узлов запуска [1, 21-25], среди которых широкое распространение получили узлы запуска на основе слаботочного вспомогательного тлеющего разряда. В одной из новых конструкций узла запуска, реализованной в отпаянном макете тиратрона, электроды узла запуска выполнены в виде двух полостей [26-28]. В такой геометрии электродов разряд поддерживается в режиме затрудненного разряда и в режиме обычного тлеющего разряда. Режим затрудненного тлеющего разряда характеризуется тем, что в катодной полости отсутствует отчетливо выраженная область отрицательного свечения, а размер области катодного падения потенциала сравним с радиусом катодной полости. В режиме обычного тлеющего разряда на оси катодной полости формируется отчетливо выраженная область отрицательного свечения, а напряжение горения разряда снижается по сравнению с режимом затрудненного разряда. В свою очередь, режим поддержания разряда влияет на характеристики тиратрона в целом [23]. В частности, это касается времен запаздывания срабатывания, разброса времен срабатывания и пробивного напряжения основного промежутка тиратрона. При этом режим поддержания разряда в узле запуска определяется не только давлением газа и характеристиками источника питания [28], но и геометрией электродов. Цель настоящей работы - получение данных по распределению тока по поверхности катода для различных режимов поддержания разряда и оценка параметров разряда с привлечением модели поддержания разряда с полым катодом в условиях, когда глубина катодной полости сравнима с ее диаметром. Экспериментальная установка и методики измерений Схематическое изображение экспериментальной установки и электрическая цепь измерений приведены на рис. 1. Тлеющий разряд зажигался посредством источника питания постоянного тока V0 между полым анодом А и секционированным полым катодом C (секции полого катода обозначены как C1-C3). Электроды были выполнены в виде полых цилиндров из листовой нержавеющей стали толщиной 0.2 мм и помещены внутрь кварцевой колбы диаметром 75 мм и длиной 105 мм. Расстояние между катодными секциями и между катодом и анодом составляло 2 мм. На торцах колбы монтировались фланцы, оснащенные кварцевыми окнами для регистрации свечения разряда и определения размеров области катодного падения потенциала. Эксперименты проводились при диаметрах полого катода 75 мм (рис. 1, а) и 45 мм (рис. 1, б). В первом случае катод состоял из двух секций, во втором - из трех. Ток разряда на каждую из секций измерялся отдельно посредством миллиамперметров. Изменение величины полного тока разряда осуществлялось за счет изменения напряжения V0 и величины балластного сопротивления Rb. Рабочим газом являлся воздух при давлении (2-10)•10-2 Торр. Откачка газа проводилась турбомолекулярным насосом, а напуск газа - посредством регуляторов расхода газа. Рис. 1. Схематическое изображение экспериментальной установки и электрическая цепь измерений: A - анод, C1 - C3 - секции полого катода; V0 ≤ 3 кВ, Rb = 30-170 Ом В экспериментах мы измеряли напряжение горения разряда Vd, ток разряда на каждую из секций катода и проводили регистрацию свечения разряда с торца катода. Как будет показано ниже, для описания режимов поддержания разряда при различных размерах катодной полости удобно использовать не только глубину катодной полости при определенном ее диаметре, но и отношение глубины полости к ее диаметру L/D. Тогда для случая рис. 1, а отношение L/D будет равно 0.67 и 1, а в условиях рис. 1, б L/D = 0.5, 1 и 1.5. Результаты и их обсуждение На рис. 2 приведены вольт-амперные характеристики разряда и величины тока на отдельные секции в зависимости от полного тока разряда для конфигурации электродов, представленной на рис. 1, а. Негативы фотографии свечения разряда, соответствующие L/D = 1, представлены на рис. 3. Рассмотрим вольт-амперную характеристику для случая L/D = 1. Пробой между электродами А и С1-С2 происходит при напряжении 1.2 кВ. После этого в электродной системе зажигается разряд с током i = 10 мА и напряжением горения Vd = 600 В. Режим поддержания разряда соответствует участку II вольт-амперной характеристики, который можно характеризовать как обычный тлеющий разряд с полым катодом. Внутри полости присутствует плазма отрицательного свечения (рис. 3), а размер области катодного падения потенциала lc = 19 мм. С уменьшением напряжения источника питания V0 рабочая точка смещается по характеристике влево. При этом величина lc увеличивается. В частности, в крайней левой точке характеристики при токе i = 3.5 мА и напряжении Vd = 495 В величина lc = 25 мм. При дальнейшем снижении напряжения источника питания происходит скачкообразный переход разряда в режим I, который можно трактовать как затрудненный тлеющий разряд с полым катодом. Характеристикой данного режима является высокое, по сравнению с режимом обычного тлеющего разряда, напряжение горения и большой размер области катодного падения потенциала. Фактически, в данном случае мы не можем говорить о присутствии в катодной полости области отрицательного свечения, поскольку величина lc сравнима с радиусом полости. Отметим, что обратный переход в режим обычного тлеющего разряда происходит из крайней правой точки режима I. С уменьшением глубины полости, или с уменьшением отношения L/D, напряжение горения разряда в режиме I снижается, а в режиме II повышается. Из рис. 2, б видно, что в режиме затрудненного разряда основная доля тока замыкается на ближнюю к катоду секцию. Это означает, что в режиме I плазма разряда проникает внутрь полости не на всю глубину. В режиме обычного тлеющего разряда основная доля тока замыкается на дальнюю от анода секцию катода. Однако в данном случае, несмотря на то, что глубина секции C2 в два раза больше, чем длина секции C1, плотности токов на поверхности каждой из секций приблизительно равны. Это говорит о том, что в режиме обычного тлеющего разряда ток по поверхности катода распределяется равномерно. Рис. 2. Вольт-амперные характеристики разряда, полученные для системы электродов, представленной на рис. 1, а, (а) и зависимости токов на каждую из секций катода от полного тока разряда (б); p = 2•10-2 Торр i = 0.5 мА i = 1 мА i = 1.5 мА i = 3.5 мА, lc = 25 мм i = 5 мА, lc = 22 мм i = 10 мА, lc = 19 м Рис. 3. Фотографии свечения разряда для условий рис. 2 (вольт-амперная характеристика для L/D = 1) С увеличением давления газа напряжение горения разряда снижается в обоих режимах, а переход к обычному тлеющему разряду происходит при меньшем полном токе разряда. В частности, при давлении 4•10-2 Торр и L/D = 1 переход происходит при токе i = 0.8 мА и напряжении горения Vd = 395 В. При этом распределение тока по поверхности катода для режима обычного тлеющего разряда также оказывается равномерным. При уменьшении диаметра катодной полости до 45 мм (рис. 1, б) поведение вольт-амперных характеристик при изменении отношения L/D такое же, как и для случая D = 75 мм. С увеличением L/D напряжение горения разряда снижается. Пример вольт-амперных характеристик для случая D = 45 мм и соответствующие величины токов на катодные секции приведены на рис. 4. Негативы фотографий свечения разряда для случая L/D = 1 представлены на рис. 5. Рис. 4. Вольт-амперные характеристики разряда в электродной системе на рис. 1, б (а) и зависимости токов на каждую из секций катода от полного тока разряда (б); p = 2•10-2 Торр i = 0.5 мА i = 5 мА, lc = 13 мм i = 10 мА, lc = 10 мм Рис. 5. Фотографии свечения разряда для условий рис. 4 (вольт-амперная характеристика для L/D = 1) Из рис. 4 видно, что для L/D = 0.5 в области токов i < 16 мА разряд поддерживается только в режиме затрудненного тлеющего разряда. Для случая L/D = 1.5 имеется гистерезис вольт-амперной характеристики. Видно, что при D = 45 мм, как и для случая D = 75 мм, в режиме затрудненного разряда основная доля тока замыкается на ближнюю к аноду секцию катода. После перехода в режим обычного разряда большая доля тока начинает замыкаться на дальнюю от анода секцию. Для условия L/D = 1 также можно говорить о том, что ток по поверхности катода распределен практически равномерно. При увеличении глубины полости (L/D = 1.5) отчетливо видно, что токи на секции C2 и C3 равны, а ток на ближнюю к аноду секцию i1 существенно меньше токов i2 и i3. Таким образом, можно заключить, что для размеров катодной полости, соответствующей L/D = 1, ток на поверхность катода замыкается равномерно. При увеличении L/D на ближнюю к аноду секцию катода замыкается меньшая доля тока. Из фотографий свечения разряда видно, что для D = 45 мм в режиме затрудненного тлеющего разряда размер области катодного падения потенциала сравним с радиусом катодной полости и отчетливо выраженная область отрицательного свечения отсутствует. Для режима обычного тлеющего разряда с увеличением тока разряда величина lc снижается. В частности, при токе i = = 5 мА величина lc = 13 мм, а при токе i = 10 мА lc = 10 мм. Для объяснения механизмов поддержания обычного тлеющего разряда можно привлечь модель, детально описанную в работах [1, 16, 17, 26, 29, 30]. Основные положения модели удобно объяснить с помощью рис. 6. Для упрощения модели плоский анод A помещен непосредственно вблизи выходного отверстия катодной полости C. Рис. 6. Схематическое изображение областей разряда и распределений потенциала применительно к модели поддержания тока в разряде с полым катодом Пространство внутри катодной полости заполнено плазмой отрицательного свечения, которая поддерживается благодаря ионизации газа быстрыми осциллирующими электронами, эмитированными с катода и ускоренными в катодном слое под действием разности потенциалов Vc ≈ Vd. Полный ток разряда на поверхности катода складывается из тока эмиссии iem и тока ионов на катод ii. Ионы движутся на катод в бесстолкновительном режиме под действием разности потенциалов kTe/2e, которая прикладывается к так называемому предслою [14]. В работах [16, 17] обращается внимание на то, что ток эмиссии с поверхности катода обусловлен не только бомбардировкой катода ионами, но также фотоэмиссией. При этом физически более обоснованно рассматривать ток электронов, возникающий за счет фотоэмиссии, как некоторый внешний ток iext по отношению к току эмиссии за счет ионной бомбардировки. Тогда для определения количества вторичных электронов с катодной поверхности можно ввести обобщенный коэффициент вторичной электронной эмиссии Γ, который учитывает как классический коэффициент вторичной электронной эмиссии γ, так и внешний ток iext. 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, энергии которых достаточно, чтобы преодолеть барьер отрицательного падения потенциала вблизи анода ΔV. Ток этих электронов можно записать так: , (1) где ve = (8kTe/πm)1/2 - средняя скорость хаотического движения электронов в плазме; Te - температура электронов в плазме; SD - площадь анода. Кроме того, часть тока на аноде переносится электронами, которые стартовали с катода, не претерпели ни одного столкновения в плазме и ушли на анод. Тогда полный ток на катоде и на аноде можно записать следующим образом: , (2) где величина γii + iext = Γii = iem есть полный ток эмиссии электронов с катода, а Sс - площадь поверхности катода. Данный подход позволяет получить условие самоподдержания разряда: , (3) где величина (4) - 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. Величина V*, входящая в (4), представляет собой среднюю энергию, которую затрачивают быстрые электроны на один акт ионизации с учетом потерь на возбуждение и упругие соударения. Модель позволяет сделать оценки следующих параметров разряда: обобщенный коэффициент вторичной электронной эмиссии Γ, ток ионов ii и внешний ток iext с поверхности катода, концентрацию плазмы в полости n = ni ≈ ne. Наконец, в рамках рассматриваемой модели можно оценить размер катодного слоя lc. В отличие от тлеющих разрядов высокого давления, здесь катодный слой является бесстолкновительным, т.е. электроны не производят ионизацию в слое. Тогда при известной величине прикатодного падения потенциала Vс ≈ Vd длину катодного слоя можно найти из условия, что в слое протекает ионный ток насыщения: , (5) где M - масса иона. При вычислениях будем использовать следующие численные значения характерных параметров плазмы: eV* = 70 эВ, kTe = 2 эВ, γ = 0.15. Поскольку в модели имеется ввиду, что ток разряда распределен по поверхности катода равномерно, оценки будем проводить для случая L/D = 1. Кроме того, в модели предполагается, что величина катодного слоя существенно меньше радиуса катодной полости. Поэтому оценки параметров разряда будут справедливы только для режима обычного тлеющего разряда с полым катодом. Результаты оценок для наиболее характерных точек представлены в таблице. Результаты оценок для характерных условий поддержания разряда Параметры разряда D = 75 мм D = 45 мм Vd, В 495 540 600 530 560 i, мА 3.45 5 10 5 10 Γ 0.224 0.205 0.184 0.209 0.197 ii, мА 2.82 4.15 8.5 4.14 8.35 iem, мА 0.42 0.62 1.22 0.62 1.25 iext, мА 0.21 0.23 0.28 0.24 0.4 lc, мм 26 23 18 14 10 ni, 108 см-3 7.6 11.2 23 31 63 Видно, что основная доля тока на поверхности катода переносится ионами. При этом величина внешнего тока iext оказывается меньше, чем ток эмиссии за счет ионной бомбардировки. Из данных таблицы также следует, что оценки размеров области катодного падения потенциала довольно хорошо согласуются с экспериментом. Например, при D = 75 мм и токе i = 5 мА экспериментально измеренная величина lc = 21 мм, а расчетная lc = 23 мм; при D = 45 мм и токе i = 5 мА экспериментально измеренная величина lc = 13 мм, а расчетная lc = 14 мм. Заключение Проведено исследование распределения тока по поверхности катода для тлеющего разряда низкого давления с полым катодом с использованием секционированных электродов. Показано, что для режима затрудненного тлеющего разряда основная доля тока замыкается на ближнюю к аноду секцию. В режиме обычного тлеющего разряда при отношении глубины полости к ее диаметру L/D = 1 ток по поверхности катода распределяется равномерно. С увеличением отношения L/D основная доля тока замыкается на дальние от анода секции. Получены фотографии свечения разряда в катодной полости для режима затрудненного тлеющего разряда и для режима обычного тлеющего разряда. Для режима затрудненного разряда область отрицательного свечения как таковая на оси разряда отсутствует. Проведены оценки параметров разряда для режима обычного тлеющего разряда с полым катодом. Показано, что основная доля тока на поверхности катода переносится ионами из плазмы отрицательного свечения. Оценки величины области катодного падения потенциала хорошо согласуются с результатами эксперимента.

Скачать электронную версию публикации