Плазма тлеющего разряда с протяженным полым катодом
Рассматривается низковольтный тлеющий разряд низкого давления с полым катодом. Разряд зажигается в системе отражательного разряда с двумя симметричными периферийными разрядными камерами, с общим протяженным полым катодом при форвакууме. Определены параметры плазмы, допустимый диаметр плазменного шнура в полом катоде. Показано, что двойной электрический слой в области выходной апертуры катодной полости отсутствует.
Glow discharge plasma with an extended hollow cathode.pdf Введение Электродная схема разряда с трубчатой катодной полостью широ¬ко используется при конструировании эффективных технологических электронных [1] и ионных [2] пушек. В случае аксиальных пучков отбор заряженных частиц из плазмы разряда реализуется через осевой эмиссионный канал в дополнительном (эмиттерном) катоде. Однако малый диаметр и неоднородное радиальное распределение концентра¬ции эмитирующей плазмы являются причинами, затрудняющими по¬лучение ленточных пучков заряженных частиц в таких электродных схемах. Традиционная область давлений, в которой функционируют источники электронов с плазменным катодом, находится в диапазоне 10-3 - 0.1 Па [3]. Однако наиболее оптимальный с точки зрения получения плотной пучковой плазмы диапазон давлений газа на несколько порядков выше 1-100 Па [4], что соответствует среднему вакууму или форвакууму, для получения которого используются лишь механические системы откачки - форвакуумные насосы. Электронные источники, способные генерировать электронные пучки при таких давлениях, получили название форвакуумных [5]. На однородность эмиссионной плазмы, в свою очередь, могут оказывать влияние параметры разряда, геометрия катодной полости и давление газа [6]. Цель данной работы - исследование протяженной плазмы низковольтного тлеющего разряда низкого давления с общим цилиндрическим полым катодом и двумя симметричными разрядными камерами. Экспериментальная установка В случае инициирования разряда с использованием двух разрядных камер, расположенных соосно с обоих торцов полого катода, можно получить равномерное распределение плотности плазмы вдоль оси полого катода [7]. Разряд зажигается в системе отражательного разряда. На рис. 1 схематично показана газоразрядная система. Индукция магнитного поля 0.16 Тл в поло¬сти медных анодных цилиндров 2, 7 обеспечивается постоянными кольцевыми магнитами 3, 6. Плоские ка¬тоды 1, 8 и полый цилиндрический катод 5 выполнены из магнитной стали. Плоские ка¬тоды 1 и 8, аноды 2 и 7 и торцевые срезы полого катода 5 образуют две симметричные разрядные ячейки. На стенке полого цилиндрического катода 5 с радиусом 2 мм и длиной 66 мм имеется продольная щель длиной L = 50 мм и шириной 1 мм, через которую производилась диагностика плазмы с помощью одиночного подвижного вольфрамового зонда 4 диаметром 0.2 мм. Зонд выступал до оси полого катода. Величина выступа зонда в полости выбиралась из расчета соотношения устойчивости плазмы в полости [8] rmin/R ≥ ξ, где rmin - радиус границы плазмы, R - радиус полости, ξ ~ 0.3. То есть минимальный радиус плазмы в полости катода может составлять 0.6 мм. При остаточном давлении воздуха 10.9 Па напряжение разряда составляло 200 В и ток разряда 50 мА на каждую разрядную ячейку, плазма проникает в полый катод одновременно при зажигании тлеющего разряда [9]. Рис. 1. Схема газоразрядной системы: 1, 8 - плоские катоды; 2, 7 - цилиндрические аноды; 3, 6 - кольцевые постоянные магниты; 4 - цилиндрический зонд; 5 - полый катод Определение параметров плазмы Распределение ионного тока зонда при перемещении вдоль оси полого катода представлено на рис. 2. Рис. 2. Распределение ионного тока Ii зонда вдоль длины продольной щели полого катода Из эксперимента установлено, что при равенстве электронного и ионного токов зонда плавающий потенциал зонда Up составляет 27 В, а потенциал пространства плазмы Upl, равный 50 В, определялся по электронному току насыщения (рис. 3). Рис. 3. Зависимость зондового тока I от подаваемого напряжения U на зонд Температура электронов Тe, равная 6∙104 К, определялась по методике ленгмюровского зонда , где е - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, ∆U - разность потенциала, подаваемая на зонд, ∆lnI - разность логарифма соответствующих токов на зонд. Плотность хаотического электронного и ионного токов определялась при потенциале плазмы и составляла соответственно 880 мА/см2 и 4.7 мА/см2. Концентрация электронов ne, равная 1.5∙1011 см-3, определялась по плотности электронного тока насыщения , (1) при Upr = Upl, где Upr - потенциал зонда, m - масса электрона. Концентрация ионов ni, равная 1.5∙ 1011 см-3, определялась по формуле Бома для плотности ионного тока насыщения , (2) где М - усредненная масса иона воздуха (3.9∙10-26 кг). Плавающий потенциал можно вычислить, приравняв плотности электронного (1) и ионного (2) токов при Upr = Up: . Вычисления дают величину для плавающего потенциала 26.6 В, что также согласуется с экспериментальным значением. Протяженность катодного падения потенциала dk можно определить из совместного решения уравнений Чайлда - Ленгмюра (здесь - электрическая постоянная) и Бома (2) для ионного тока плазмы: , вычисления дают dk = 0.2 мм. То есть максимальный радиус плазменного шнура rmax может достигать 1.8 мм. Таким образом, в протяженном полом цилиндрическом катоде с диаметром 4 мм допустимый диаметр плазменного шнура ограничен размерами от 1.2 до 3.6 мм. На рис. 4 представлено фото равномерного распределения плазмы, видимой через продольную щель вдоль оси полого цилиндрического катода. Рис. 4. Фото плазмы, видимой через продольную щель вдоль оси полого катода Двойного электрического слоя в области выходной апертуры катодной полости нет, так как не выполняется условие его возникновения [10]: sa/sk < (m/M)1/2, где sa - площадь выходной апертуры полого катода, sk - площадь его поверхности. Расчеты показывают, что sa/sk = 1.57∙10-2 больше (m/M)1/2 = 4.83∙10-3. Заключение В настоящей работе для тлеющего разряда с протяженным полым катодом и двумя симметричными разрядными камерами при форвакуумном давлении определены параметры плазмы. Показано, что в протяженном полом цилиндрическом катоде с диаметром 4 мм допустимый диаметр плазменного шнура ограничен размерами от 1.2 до 3.6 мм, что двойной электрический слой в области выходной апертуры катодной полости отсутствует. Приведенная газоразрядная система может быть использована для генерации равномерной протяженной плазмы в источниках ленточного пучка заряженных частиц.
Ключевые слова
тлеющий разряд,
плазма,
полый катод,
симметричные разрядные камеры,
зондовые измеренияАвторы
Гырылов Евгений Иванович | Институт физического материаловедения СО РАН | инженер ИФМ СО РАН | evivgyr.bsc@mail.ru |
Всего: 1
Ссылки
Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. - М.: Атомиздат, 1977. - 144 с.
Семенов А.П., Батуев Б.-Ш.Ч. // ПТЭ. - 1991. - № 1. - С. 177-178.
Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 113 с.
Коваль Н.Н., Окс Е.М., Протасов Ю.С., Семашко Н.Н. Эмиссионная электроника. Сер. Электроника. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 596 с.
Бурдовицин В.А., Климов А.С., Медовник А.В. и др. Форвакуумные плазменные источники электронов. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2014. - 288 с.
Мартенс В.Я., Шевченко Е.Ф. // Письма в ЖТФ. - 2011. - Т. 37. - Вып. 8. - С. 71-78.
Гырылов Е.И., Семенов А.П. // ЖТФ. - 1995. - Т. 65. - Вып. 1. - С. 189-191.
Крейндель Ю.Е., Никулин С.П. // Материалы I Всесоюзного совещания по плазменной эмиссионной электронике. - Улан-Удэ, 1991. - С. 11-17.
Гырылов Е.И. // ЖТФ. - 2001. - Т. 71. - Вып. 2. - С. 137-138.
Метель А.С. // ЖТФ. - 1984. - Т. 54. - Вып. 2. - С. 241-247.