Физические особенности формирования плазмы в протяженном полом аноде импульсного несамостоятельного дугового разряда | Известия вузов. Физика. 2022. № 1. DOI: 10.17223/00213411/65/1/137

Физические особенности формирования плазмы в протяженном полом аноде импульсного несамостоятельного дугового разряда

Исследованы физические особенности импульсного дугового разряда низкого (≈ 1 Па) давления с термоэмиссионным и полым катодами в атмосфере аргона. Показано, что импульсный разряд стабильно инициируется в протяженном полом аноде при повышенных (100-300 В) напряжениях горения, что позволяет достигать значений токов до 800 А с импульсной мощностью до нескольких десятков киловатт. Увеличение напряжения горения разряда приводит к снижению неоднородности распределения концентрации плазмы по высоте полого анода более, чем на порядок. Повышение значения индукции аксиального магнитного поля за счет увеличения тока магнитной катушки приводит к увеличению тока несамостоятельного дугового разряда при повышенном напряжении горения разряда.

Physical specific features of plasma formation in an extended hollow anode of a pulsed non-self-sustained arc discharge.pdf Введение Развитие вакуумных технологий обработки поверхности материалов, получения тонких пленок стимулирует совершенствование методов и техники получения газо-металлических плазменных образований [1]. Очистка и травление поверхности на этапах химической активации поверхности, диффузионное насыщение поверхности различными элементами из газовой фазы [2], плазменно-ассистированное напыление покрытий эффективно реализуются при низком давлении с использованием источников газовой плазмы с полым катодом и/или полым анодом [3-5]. Высокопроизводительные установки для ионно-плазменной обработки поверхности изделий имеют вакуумные камеры со значительными вакуумными объемами, в которых генерация однородной плазмы является сложной научно-технической задачей. Классическим подходом для снижения степени неоднородности плазмы является использование большого количества источников газовой плазмы или их специальной протяженной конструкции [6]. В последние годы продемонстрировано, что при создании условий, способствующих повышению степени утилизации энергии ускоренных заряженных частиц, например, электронов в полом катоде тлеющего разряда низкого давления [7], можно значительно повысить мощность в разряде, концентрацию плазмы, что сопровождается снижением степени неоднородности распределения концентрации плазмы в вакуумном объеме. Организация условий, способствующих эффективной утилизации энергии заряженных частиц в объеме полого анода дугового разряда, является актуальной задачей вследствие широкой распространенности таких систем в промышленном производстве. В последние два десятилетия широкое распространение нашел источник газовой плазмы с термоэмиссионным и полым катодами «ПИНК» [8]. Традиционный режим работы подразумевает горение стационарного разряда в аргоне, азоте или смеси газов с током до 150 А при достаточно высокой степени неоднородности, составляющей до нескольких десятков процентов в объеме вакуумной камеры около 0.2 м3. Ситуация усугубляется при генерации плазмы в протяженных полых анодах. Повышение энергии электронов, ускоренных в прикатодном падении потенциала внутри полого катода источника газовой плазмы, за счет повышения напряжения горения разряда, переход к импульсному режиму горения разряда при сохранении той же средней мощности разряда могли бы способствовать улучшению условий утилизации энергии электронов в полом аноде и привести к снижению степени неоднородности газовой плазмы. В работе изучены физические особенности формирования плазмы в протяженном полом аноде импульсного несамостоятельного дугового разряда. Проведено исследование характеристик импульсного дугового разряда низкого (≈ 1 Па) давления с термоэмиссионным и полым катодами при повышенных (100-300 В) напряжениях горения и токах до 800 А с импульсной мощностью до нескольких десятков киловатт и закономерностей влияния условий генерации плазмы на степень ее неоднородности в протяженном полом аноде объемом около 0.3 м3. Описание экспериментальной установки Вакуумная камера экспериментальной установки, схема которой представлена на рис. 1, выполнена в виде вертикального цилиндра высотой 120 см, диаметром 60 см и объемом около 0.34 м3. Источник газовой плазмы с термоэмиссионным и полым катодами устанавливался на верхнем основании камеры на ее оси. Внутренние стенки камеры образовывали полый анод большой площади. Термоэмиссионный катод представлял собой три накальные вольфрамовые нити диаметром 0.8 мм. Полый катод из нержавеющей стали имел диаметр 90 мм и длину 250 мм. Ток катушки магнитного поля изменялся с 0.1 до 2.0 А, при этом величина магнитного поля при токе 0.1 А составляла около 3 мТл на оси полого катода в центральной его части. Рис. 1. Схема экспериментальной установки Вакуумная камера откачивалась турбомолекулярным насосом до остаточного давления 2•10-3 Па, после чего через генератор плазмы напускался рабочий газ - аргон. Электропитание накала генератора плазмы осуществлялось от источника постоянного тока, электропитание разряда - от источника импульсного напряжения с параметрами: выходное напряжение 30-500 В, длительность импульсов 0.1-10 мс, частота повторения импульсов 1-200 Гц. Эквивалентная схема источника питания включает выходной емкостной накопитель и эквивалентную индуктивность проводов. Источник питания имеет защиту по превышению максимального тока, срабатывающую при значении тока разряда 800 А. Измерения параметров плазмы проводились одиночным электрическим зондом, который устанавливался на верхнем основании камеры через ввод Вильсона на расстоянии ~ 18 см от оси полого анода. Для измерения продольного распределения параметров плазмы зонд перемещался на расстояние 20-80 см от верхнего основания камеры. Измерение величины тока и напряжения смещения зонда производилось автоматизированной системой зондовых измерений, схематично представленной на рис. 1. Обработка полученных зондовых характеристик осуществлялась графическим методом. Измерения проводились при рабочем давлении 0.6 Па в атмосфере аргона. Показания зонда фиксировались в момент времени от 500 мкс от начала разрядного импульса при общей длительности импульса тока разряда около 550 мкс (рис. 2). Результаты исследований и их обсуждение Перед началом каждого эксперимента по исследованию процесса инициирования разряда, измерению вольт-амперных характеристик разряда и зондовых измерений с целью очистки стенок полого катода источника плазмы от оксидных и адсорбированных слоев проводилась тренировка катода на постоянном токе разряда около 100 А и напряжении горения до нескольких десятков вольт. Стабильное инициирование разрядных импульсов несамостоятельного дугового разряда частотой 100 Гц осуществлялось при токах накала, начиная со значения 110 А. Использование постоянного тока накала позволяло избежать необходимости влияния фазы тока на результаты измерений. На рис. 2 представлены характерные осциллограммы напряжения горения разряда Ud, тока накала катода Ifil, тока на полый катод Ihol и тока разряда Id. Длительность фронта роста и спада тока дугового разряда составляет при напряжении горения 200 В около 100 мкс. Физика работы источника плазмы при напряжениях горения разряда до нескольких десятков вольт достаточно подробно описана в [9]. Вольт-амперные характеристики разряда для напряжений до 300 В представлены на рис. 3. Зависимости имеют близкий к линейному рост. Существенное увеличение тока дугового разряда при относительно небольшом увеличении тока накала вызвано значительным увеличением плотности потока эмиссии электронов с накаленного катода при относительно небольших изменениях температуры. Плотность электронного тока эмиссии, согласно уравнению Ричардсона - Дэшмана, имеет квадратичную зависимость от температуры поверхности катода с дополнительным экспоненциальным множителем [10]. Однако увеличение температуры катода приводит к его быстрому выходу из строя. Рис. 2. Характерные формы токов и напряжений, где Ud - напряжение горения разряда, Id - ток разряда, Ifil - ток накаленного катода, Ihol - ток полого катода Рис. 3. Вольт-амперные характеристики дугового разряда при p(Ar) = 0.3 Па, Icoil = 0.6 А Электроны, эмитированные накаленным катодом, осциллируют в катодной полости, дрейфуя к его выходной апертуре. Повышение напряжения горения разряда приводит к увеличению величины прикатодного падения потенциала и соответствующему росту энергии ускоренных в нем электронов. При повышенных значениях напряжения горения разряда (100-300 В) отношение тока полого катода к току разряда Ihol/Idis плавно спадает для трех значений тока накала (рис. 4). Повышенную скорость спада демонстрирует зависимость при максимальном токе накала. Рост тока эмиссии с поверхности накаленного катода с увеличением напряжения горения разряда объясняется влиянием эффекта Шоттки. Данный эффект проявляется в виде снижения работы выхода под действием внешнего электрического поля на величину , и для расчета плотности тока автотермоэлектронной эмиссии с накаленного катода необходимо учесть данное снижение в формуле Ричардсона: , где jэ - плотность тока эмиссии; EK - напряженность электрического поля; e - заряд электрона; k - постоянна Больцмана; T - температура накаленного катода. При токе накала 135 А, как видно из полученной зависимости, при увеличении напряжения с 50 до 200 В отношение Ihol/Idis уменьшается с 0.65 примерно до 0.45, т.е. увеличивается доля тока с накаленного катода. Для меньших токов накала эффект также выражен, но слабее из-за меньшей плотности тока эмитированных электронов. Исследования зависимостей тока дугового разряда от рабочего давления (рис. 5) показали, что повышение рабочего давления приводит к монотонному увеличению тока дугового разряда. Увеличение тока дугового разряда с повышением давления рабочего газа связано, по-видимому, с неполной термализацией эмитированных электронов при высоких напряжениях горения разряда. Оценки показывают, что длина пути электрона при давлении 0.6 Па составляет 1, 2.6 и 4.8 м для энергий электрона 100, 200 и 300 эВ соответственно. Рис. 4. Зависимости отношения тока полого катода к току разряда от напряжения горения разряда при различных токах накала и p(Ar) = 0.3 Па, Icoil = 0.6 А Рис. 5. Зависимости тока дугового разряда от рабочего давления Ud (Ifil = 130 А, Icoil = 0.6 А) Важным фактором, влияющим на дрейф электронов в полом катоде источника плазмы, является величина аксиального магнитного поля. При напряжениях горения разряда 100 и 200 В зависимости тока от тока катушки магнитного поля монотонно спадают (рис. 6), что связано с удержанием электронов внутри полого катода, образующего в аксиальном магнитном поле классическую схему для магнетронного разряда [11] и, как следствие, высокой степенью термализации ускоренных в прикатодном слое электронов. Однако при напряжении горения 300 В характеристика приобретает немонотонный характер, и начиная с тока катушки магнитного поля около 1 А, наблюдается возрастание тока разряда примерно на 20%. Увеличение разрядного тока с увеличением тока катушки при разрядном напряжении 300 В связано, вероятно, с улучшением условий утилизации энергии эмитированных и ускоренных электронов за счет увеличения длины пути электронов до момента ухода на анод или термализации при повышенных значениях величины магнитного поля. По оценкам в аргоновой плазме при давлении 0.3 Па длины свободного пробега электронов в аргоне составляют 0.3, 0.41 и 0.5 м для энергий электронов 100, 200 и 300 эВ соответственно. Поскольку повышение напряжения горения разряда позволяет повысить степень утилизации энергии электронов, то выполнение данного условия должно способствовать снижению степени неоднородности формируемой в полом аноде плазмы. Экспериментально измеренные распределения концентрации плазмы по длине полого анода, представленные на рис. 7, показывают, что степень неоднородности концентрации плазмы снижается в 15-30 раз при увеличении напряжения горения разряда со 100 до 300 В. Рис. 6. Зависимости тока дугового разряда от тока катушки магнитного поля (Ifil = 130 А, p(Ar) = 0.3 Па) Рис. 7. Распределения концентрации плазмы по длине полого анода (Ifil = 130 А, p(Ar) = 0.6 Па, Icoil = 0.6 А) Данный результат обусловлен тем, что с повышением напряжения горения со 100 до 300 В происходит снижение концентрации плазмы вблизи выходной апертуры источника газовой плазмы почти в 2 раза и одновременное повышение концентрации плазмы вблизи противолежащей стенки полого анода более чем в 3 раза. Снижение концентрации вблизи выходной апертуры источника обусловлено значительным снижением сечения ионизации аргона электронным ударом, которое для аргона максимально вблизи 100 эВ. Повышение концентрации плазмы объясняется увеличением длины пути электронов, что приводит к более эффективной генерации плазмы в объеме полого анода. Заключение Изучены физические особенности импульсного дугового разряда низкого (≈ 1 Па) давления с термоэмиссионным и полым катодами в атмосфере аргона. Импульсный дуговой разряд стабильно инициируется в протяженном, длиной 1.2 м и диаметром 0.6 м, полом аноде объемом около 0.3 м3 при повышенных (100-300 В) напряжениях горения и позволяет достигать значений токов до 800 А с импульсной мощностью до нескольких десятков киловатт. Увеличение напряжения горения разряда со 100 до 300 В приводит к снижению неоднородности распределения концентрации плазмы по высоте полого анода более чем на порядок. Повышение значения индукции аксиального магнитного поля за счет увеличения тока магнитной катушки с 0.2 до 2 А приводит к увеличению тока несамостоятельного дугового разряда на 20% при повышенном (300 В) напряжении горения разряда. Полученные результаты говорят о перспективности использования импульсного режима горения несамостоятельного дугового разряда в протяженных вакуумных камерах при повышенных значениях напряжения горения несамостоятельного дугового разряда для обработки поверхности металлических материалов и изделий.

Ключевые слова

несамостоятельный дуговой разряд, импульсный разряд, полый анод, вольт-амперная характеристика, распределение концентрации плазмы

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Ковальский Сергей СергеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНkovalskiy_ss@bptvac.ru
Денисов Владимир ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н, зав. лабораторией ИСЭ СО РАНvolodyadenisov@yandex.ru
Островерхов Евгений ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНevgeniy86evgeniy@mail.ru
Егоров Артем ОлеговичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНegorov.ao.work@gmail.com
Яковлев Владислав ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНнауч. сотр. ИСЭ СО РАНyakovlev_vv@bptvac.ru
Всего: 5

Ссылки

Денисов В.В., Денисова Ю.А., Варданян Э.Л. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2020. - Т. 64. - № 1. - C. 125-129.
Будилов В.В. Интегрированные методы обработки конструкционных и инструментальных материалов с использованием тлеющих и вакуумно-дуговых разрядов. - М.: Машиностроение, 2013. - 320 с.
Гренадёров А.С., Оскомов К.В., Соловьев А.А. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 7. - С. 97-104.
Меньшаков А.И., Емлин Д.Р., Гаврилов Н.В. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 8/2. - С. 168-172.
Vardanyan E.L., Ramazanov K.N., Nagimov R.Sh., Nazarov A.Yu. // Surf. Coat. Technol. - 2020. - V. 389. - Р. 125657.
Shugurov V.V. // Proc. IX International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk, Russia, 2008. - P. 27-30.
Яковлев В.В., Денисов В.В., Коваль Н.Н. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2020. - Т. 63. - № 10. - С. 109-116.
Борисов Д.П., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // Изв. вузов. Физика. - 1994. - Т. 37. - № 3. - С. 115-120.
Винтизенко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль Н.Н. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2001. - Т. 44. - № 9. - С. 28-35.
Ehlers K.W., Leung K.N. // Rev. Sci. Instrum. - 1979. - No. 50(3). - P. 356-361.
Окс Е.М., Чагин А.А. // ЖТФ. - 1988. - Т. 58. - Вып. 6. - С. 1191-1193.
 Физические особенности формирования плазмы в протяженном полом аноде импульсного несамостоятельного дугового разряда | Известия вузов. Физика. 2022. № 1. DOI: 10.17223/00213411/65/1/137

Физические особенности формирования плазмы в протяженном полом аноде импульсного несамостоятельного дугового разряда | Известия вузов. Физика. 2022. № 1. DOI: 10.17223/00213411/65/1/137