Influence of discharge burning conditions on the distribution of parameters of a plasma generated in a non-self-sustaini.pdf Введение Разряд с полым катодом получил широкое применение как в научных исследованиях, так и в различных технологических устройствах для генерации технологической плазмы и пучков заряженных частиц [1]. Широкая распространенность такого разряда обусловлена его особенностями горения по сравнению с разрядами с плоскими катодами, а именно повышенным значением тока разряда, а следовательно, и генерации плазмы с повышенной концентрацией заряженных частиц. Однако высокая концентрация заряженных частиц приводит к быстрому износу полого катода ионным распылением и высокой температурой, которая в локальных областях поверхности катода может превышать температуру плавления металла. Как правило, такой износ наблюдается на внутренней поверхности полого катода на глубине несколько диаметров от торца полого катода. Этот фактор может существенно ограничивать использование разрядов с полым катодом. Для решения проблемы формирования однородной плазмы предлагается использовать импульсный режим [2-4] горения разряда с полым катодом. Импульсный режим горения разряда позволяет предотвратить переход разряда в дуговой разряд с катодным пятном и избежать перегрева, износа и последующего разрушения полого катода вблизи его торца. Однако полностью избежать локальных максимумов температуры и концентрации плазмы вблизи торца полого катода при горении таких разрядов в импульсном режиме не удается. Проблему генерации неоднородной плазмы внутри протяженного полого катода можно решить путем использования коаксиального анода, расположенного вдоль всей полости полого катода [5, 6]. Однако данная система лишена преимущества полого катода - повышенных значений концентрации плазмы. Такой разряд по своим характеристикам близок к аномальному тлеющему разряду, в котором для достижения определенной концентрации плазмы необходимо существенно повышать его напряжение горения. Существует плазмогенератор с комбинированным полым катодом «ПИНК» [7-9], состоящий из накаленного вольфрамового катода диаметром около 1 мм, который располагается внутри полого катода, в аксиальном магнитном поле, обеспечиваемом магнитной катушкой, расположенной снаружи плазмогенератора. Такая конструкция катода при генерации плазмы в вакуумной камере объемом ≈ 0.2 м2 позволяет избежать его разрушения и при напряжении разряда ≈ 50-150 В и токе разряда до 200 А достигать высоких значений концентрации плазмы ≈ 1011 см-3. Диапазон давлений работы такого разряда с комбинированным катодом составляет от 10-2 до 2 Па. На основе разряда с комбинированным катодом была разработана двухразрядная система генерации плазмы внутри протяженного полого катода, длина которого составляет не менее десяти диаметров внутренней полости. Внутри такой полости зажигается несамостоятельный тлеющий разряд, а дополнительная инжекция электронов осуществляется из плазмы вспомогательного разряда с комбинированным катодом. Разряд с дополнительной инжекцией электронов применялся для создания ионных источников [10], а также генерации плазмы в больших вакуумных объемах [11], однако генерация плазмы внутри протяженной металлической полости таким способом при низком давлении была предложена впервые [12, 13]. Целью создания такой системы являлась генерация однородной низкотемпературной плазмы в протяженной полости прямой и изогнутой формы без перегревов и разрушения его локальных частей при давлении до ≈ 1 Па. Основным применением данной разрядной системы может быть ионно-плазменная обработка (азотирование, карбонитрирование, оксидирование) внутренней поверхности протяженных металлических изделий. Она также перспективна для получения однородной низкотемпературной плазмы с концентрацией не ниже ≈ 1011 см-3 при низком давлении внутри металлического протяженного полого катода прямой и изогнутой под произвольным углом формы. Для дальнейшего развития данных разрядных систем важным является определение влияния основных условий горения разряда на однородность распределения параметров плазмы внутри протяженного полого катода. Данная работа посвящена исследованию влияния условий горения разряда на распределения параметров плазмы, генерируемой в несамостоятельном тлеющем разряде внутри полого катода длиной 300 мм и внутренним диаметром 25 мм, а также описанию особенностей работы такой разрядной системы. Материалы и методы исследования Экспериментальные исследования по генерации плазмы внутри полого катода осуществлялись с помощью двухразрядной системы, схема которой представлена на рис. 1. В такой системе вспомогательный разряд зажигался и горел при давлении около 1 Па между комбинированным катодом источника плазмы «ПИНК» 1, 2 и анодом 3, которым являлась внешняя часть протяженного трубчатого полого катода с вольфрамовой решеткой 4 на его торце. Часть электронов, извлекаемых из вспомогательной плазмы, попадают сквозь вольфрамовую решетку в полый катод 3 длиной 300 мм и внутренним диаметром 25 мм и ускоряются под действием электрического поля основного несамостоятельного тлеющего разряда. Тлеющий разряд замыкается на водоохлаждаемый Рис. 1. Схема двухступенчатой разрядной системы: 1 - полый катод вспомогательного разряда; 2 - накаленный катод вспомогательного разряда; 3 - полый катод несамостоятельного тлеющего разряда (трубка); 4 - вольфрамовая сетка; 5 - водоохлаждаемый анод несамостоятельного тлеющего разряда; 6 - плазма несамостоятельного тлеющего разряда; 7 - плазма вспомогательного разряда; 8 - двойные цилиндрические зонды Ленгмюра; 9 - автоматическая система зондовых измерений параметров плазмы; Uтл - напряжение электропитания тлеющего разряда; Uвс - напряжение электропитания вспомогательного разряда, Uн - напряжение электропитания накаленного катода; Rш - сопротивление измерительного шунта 3.75 мОм; Iтл - измерение тока тлеющего разряда; Iвс - измерение тока вспомогательного разряда анод 5, расположенный на противоположном торце полого катода. Электроны, извлеченные из плазмы вспомогательного разряда, попав внутрь полого катода, осциллируют и производят ионизацию рабочего газа по всей длине металлической полости. В экспериментальных исследованиях параметров плазмы внутри протяженного полого катода питание вспомогательного разряда осуществлялось от источника питания с выходным напряжением до 160 В и током до 150 А. Питание вольфрамовой нити накала комбинированного катода осуществлялось от источника переменного тока, обеспечивающего выходной переменный ток частотой 2 кГц с коэффициентом заполнения импульса 70% и выходным напряжением до 20 В. Питание основного несамостоятельного тлеющего разряда осуществлялось от источника постоянного напряжения с выходным напряжением до 1000 В при максимальном токе до 10 А. Параметры плазмы измерялись с помощью системы из пяти двойных цилиндрических зондов. Зонды изготавливались из вольфрамовой проволоки, длина которых составляла 6 мм, а диаметр 0.4 мм. Во внутреннюю полость катода перпендикулярно его центральной оси вставлялись пять одинаковых двойных зондов (рис. 1, 8) на расстоянии 55 мм друг от друга и на расстоянии 40 мм от торцов полого катода. При измерении распределения параметров плазмы вдоль оси полого катода с помощью двойных зондов изменялось напряжение основного несамостоятельного тлеющего разряда от 100 В до 250 В, давление газовой смеси - от 0.35 до 0.7 Па. Азот особой чистоты подавался в полый катод основного разряда через водоохлаждаемый анод до давления 0.04 Па, что соответствовало потоку газа 12 см3/мин, а увеличение давления газовой смеси до 0.35 и 0.7 Па происходило за счет подачи газа аргона через комбинированный катод вспомогательного разряда. Напряжение и ток вспомогательного разряда были постоянными и составляли 100 В и 1.6 А соответственно. Ток накаленного катода при горении разряда составлял ≈ 40 А и изменялся в пределах ±5 А. Для получения вольтамперной характеристики (ВАХ) зонда использовалась автоматическая система зондовых измерений параметров плазмы (рис. 1, 9), которая состоит из блока подачи напряжения на зонд и измерением его тока и программы на персональном компьютере, которая обрабатывает полученные результаты измерений и отображения ВАХ зондов в реальном времени. Система зондовых измерений параметров плазмы позволяет получать одну ВАХ двойного зонда за время, не более чем за 1 с. Количество измеренных значений напряжения и тока для построения одной ВАХ составляло 2000 шт. Результаты исследований и их обсуждение Для зажигания и поддержания горения несамостоятельного тлеющего разряда при низком давлении около 1 Па требуется дополнительная инжекция электронов из плазмы вспомогательного разряда. В данной разрядной системе вспомогательная плазма создается с помощью плазмогенератора «ПИНК» с комбинированным катодом. Особенность зажигания основного разряда с протяженным полым катодом и торцевым расположением анода заключается в том, что электрическое поле экранируется в протяженной полости и уменьшается при увеличении расстояния между электродами по известной зависимости E = U/x, где Е - энергия электрического поля, U - напряжение, приложенное между анодом и катодом, x - расстояние между анодом и катодом. И для зажигания основного разряда при напряжении до 300 В требуется обеспечить ток вспомогательного разряда около 60 А. После зажигания ток вспомогательного разряда уменьшается до требуемой величины и может составлять ≈ 100 мА и поддерживать стабильное горение основного разряда. На торце полого катода расположена вольфрамовая сетка (рис. 2, а) с крупной ячейкой, размеры Рис. 2. Фотография вольфрамовой сетки (а); фотографии выхода за границы вольфрамовой сетки плазмы основного разряда при напряжении 200 В и давлении: б - 0.7 Па, в - 0.3 Па, г - 0.2 Па, д - 0.15 Па, е - 0.06 Па при токе вспомогательного разряда 1.6 А которой 5 × 5 мм с толщиной проволоки 0.8 мм. Такая сетка не является границей раздела плазмы основного разряда и вспомогательного разряда вследствие того, что удвоенный катодный слой основного разряда не превышает ширину ячейки вольфрамовой сетки. По причине этого плазма основного разряда после его зажигания выходит за пределы сетки. Форма такого плазменного образования может отличаться в зависимости от параметров горения основного разряда (рис. 2, б-е). Рис. 3. Графики зависимостей: а - ВАХ основного несамостоятельного тлеющего разряда при токе вспомогательного разряда 1.6 А и давлении 0.7 Па; б - зависимость тока основного разряда от давления при напряжении основного разряда 200 В и токе вспомогательного разряда 1.6 А; в - зависимость тока основного разряда от тока вспомогательного разряда при напряжении основного разряда 200 В и давлении 0.7 Па На ВАХ (рис. 3, а) показана зависимость тока основного разряда от напряжения основного разряда при давлении 0.7 Па и постоянном токе вспомогательного разряда 1.6 А. Ток основного разряда начинает резко снижаться при снижении напряжения до ≈ 70 В, что связано со снижением энергии электронов до предельного значения, когда поддержание разряда становится уже невозможным и основной разряд перестает гореть внутри полого катода. При увеличении напряжения до ≈ 300 В разряд начинает гаснуть в связи с тем, что в данной разрядной системе не существует стабильной границы раздела плазмы и это, вероятно, приводит к пробоям и погасанию разряда. Максимальное рабочее давление основного разряда ограничено предельным рабочим давлением вспомогательного разряда и составляет около 2 Па. При снижении рабочего давления с 1.5 до 0.35 Па ток основного разряда незначительно увеличивается с 3.3 до 3.6 А соответственно (рис. 3, б) при напряжении горения основного разряда 200 В и постоянном токе вспомогательного разряда 1.6 А. Снижение давления с 0.4 до 0.06 Па приводит к увеличению тока до 6 А, а дальнейшее снижение давления от 0.06 Па приводит к погасанию основного разряда, что связано с пробоями промежутка вследствие значительного увеличения длины свободного пробега электронов, которая превышает длину полости на порядок. При снижении рабочего давления плазма основного разряда выходит за границы вольфрамовой сетки (рис. 2, б-е), что является дополнительным фактором, снижающим стабильность горения такого разряда на низких давлениях. Зависимость тока основного разряда от тока вспомогательного разряда при давлении 0.7 Па (рис. 3, в) линейная вследствие того, что при напряжении горения основного разряда 200 В коэффициент вторичной электронной эмиссии недостаточен для поддержания горения разряда в самостоятельном режиме, и такой разряд полностью зависит от дополнительной инжекции электронов. Минимальный ток горения разряда может составлять ≈ 200 мА, максимальный ток разряда ограничен либо источником питания, либо максимально допустимой температурой материала полого катода. Особенностью такой разрядной системы в отличие от разрядной системы [11] и подобных, в которых используется мелкоячеистая сетка для стабилизации границы раздела основной и вспомогательной плазмы, является то, что при выключении вспомогательного разряда основной разряд продолжает гореть и его ток зависит от тока эмиссии с накаленного катода. Это связано с тем, что в случае с крупной ячейкой вольфрамовой сетки, которая составляет 5 × 5 мм, как это уже подробно описывалось выше, плазма основного разряда выходит за пределы сетки и заполняет разрядный промежуток вспомогательного разряда. Потенциал плазмы основного разряда оказывается достаточным для того, чтобы извлекать электроны из накаленного катода и поддерживать горение разряда. Такой режим горения разряда наблюдается с уменьшением размеров ячейки сетки вплоть до 1 мм. Однако такой разряд горит менее стабильно, и в случае его погасания необходимо вновь поднимать ток вспомогательного разряда до 60 А, чтобы зажечь основной несамостоятельный тлеющий разряд. Исходя из вышеописанных зависимостей следует, что данная система генерации плазмы внутри протяженного полого катода наиболее стабильно работает в диапазоне напряжений основного разряда от 100 до 250 В. Наиболее стабильный диапазон давлений составляет от 0.1 до 1 Па, а ток основного разряда определяется из конкретных целей использования данной разрядной системы и требуемой плотности плазмы. Дальнейшие исследования параметров плазмы внутри протяженного полого катода с помощью пяти двойных зондов проводились в указанных диапазонах напряжений и давлений для генерации плазмы с плотностью ≈ 1017 м-3. Такая величина необходима для проведения эффективной очистки и химико-термической ионно-плазменной обработки внутренней поверхности протяженных металлических изделий. Результаты исследования параметров плазмы представлены на рис. 4. В таблице представлены параметры горения разряда, в соответствии с приведенными графиками и коэффициентом неоднородности Kн, рассчитанным как в работе [13]. Рис. 4. Результаты исследования параметров плазмы вдоль оси протяженного полого катода с помощью пяти двойных зондов: а, б - концентрации плазмы; в, г - температуры электронов; а, в - давление 0.35 Па; б, г - давление 0.7 Па; ток вспомогательного разряда оставался постоянным и составлял 1.6 А Параметры горения разряда и коэффициент неоднородности концентрации плазмы p, Па 0.35 0.7 Uтл, В 100 150 200 250 100 150 200 250 Iтл, А 3.09 3.38 3.77 4.08 3.08 3.2 3.38 3.55 Kн % 17 45 57 63 12 13 32 46 При более низком давлении 0.35 Па неоднородность концентрации плазмы выше, чем при давлении 0.7 Па. С увеличением напряжения горения неоднородность концентрации плазмы возрастает. Основную роль в ионизации газа внутри полого катода выполняет поток электронов, извлеченный из плазмы вспомогательного разряда. Кроме того, на траекторию электронов влияет граница раздела плазм, с которой они ускоряются по направлению к полости. При изменении давления граница раздела плазмы основного и вспомогательного разрядов сильно изменяется (рис. 2, б-е), что и определяет форму кривой распределения концентрации плазмы. При более высоком (0.7 Па) давлении и низких напряжениях (100-150 В) достигается лучшая неоднородность генерируемой плазмы, которая не превышает 13%. Распределение температуры электронов вдоль полого катода слабо зависит от давления и напряжения горения разряда. На графике наблюдается максимум температуры электронов в середине полого катода, а минимум - возле торца с вольфрамовой сеткой и вблизи анода. Заключение Исследование плазмы, генерируемой внутри протяженного полого катода в несамостоятельном тлеющем разряде, поддерживаемом внешней инжекцией электронов из плазмы вспомогательного разряда, при давлении до ≈ 1 Па показало, что предлагаемая система обеспечивает неоднородность плазмы ((±12%) - (±63%)) в полом катоде длиной 300 мм и внутренним диаметром 25 мм. Снижение напряжения горения в разрядной полости с 250 до 100 В при давлениях 0.35 и 0.7 Па приводит к уменьшению неоднородности концентрации плазмы примерно в 4 раза. Увеличение давления с 0.35 до 0.7 Па в диапазоне напряжений горения 100-250 В приводит к уменьшению неоднородности плазмы. Предлагаемая разрядная система позволяет создавать газовую плазму, перспективную для использования в процессах химико-термической обработки внутренней поверхности полых протяженных металлических изделий.

Скачать электронную версию публикации