Methods for plasma density estimations in large-volume hollow anode.pdf Введение В настоящее время тлеющие разряды низкого давления с полым катодом широко используются для различных применений. В частности, такие разряды применяются в установках для генерации пучков заряженных частиц [1-6], жесткого ультрафиолетового излучения [7-9], в сильноточных коммутирующих приборах [1, 10-18], для генерации плазмы большого объема и модификации свойств поверхности различных материалов [1, 19-26] 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 инициирующими электронами и последующим развитием классических электронных лавин. Для инициирования разряда необходим значительный предпробойный ток электронов с катода [1, 17, 18, 27]. Одним из способов получения плазмы большого объема является использование генератора с комбинированным накаленным и полым катодом [20-26]. 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 [28]. Соответственно плазму в полом аноде можно характеризовать как плазму положительного столба. В наших предшествующих работах мы предложили модель, позволяющую объяснить механизмы поддержания плазмы отрицательного свечения в катодной полости тлеющего разряда низкого давления [1, 28, 29]. Основная идея модели состоит в том, что плазма внутри катодной полости представляет собой потенциальную ловушку для электронов. На основе предложенного подхода была разработана модель для объяснения механизмов генерации плазмы в полом аноде большого объема [30]. Основной идеей модели являлось то, что ток на поверхности анода переносится не только плазменными электронами, но и ионами. При этом предполагалось, что концентрация плазмы распределена в анодной полости равномерно. Было получено хорошее согласие оценок величины концентрации плазмы в полом аноде с экспериментом. Тем не менее на установках для генерации плазмы больших объемов существует проблема достижения равномерности концентрации плазмы во всем объеме рабочей камеры (например, [21, 31]). Эта ситуация характерна для установок, в которых полость большого объема является как катодом, так и анодом. Цель настоящей работы - разработка модели, описывающей механизмы поддержания плазмы с учетом неравномерности распределения плазмы в полом аноде большого объема. Для сравнения модели с экспериментом проведены измерения концентрации плазмы и температуры электронов в полом аноде. Экспериментальная установка и методики измерений Схематическое изображение экспериментальной установки и схема измерения вольт-ампер-ных характеристик приведены на рис. 1. Электродная система плазменного генератора ПИНК 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. Расстояние от нити накала до выходного отверстия катодной полости h = 230 мм. Катодная сборка помещена в постоянное магнитное поле 0.1-1 мТл, создаваемое магнитной катушкой. Заземленный анод A выполнен в виде кубической камеры с внутренними размерами 600×600×6000 мм. Генератор ПИНК монтируется на корпусе камеры A через разделительный диэлектрический фланец. Рис. 1. Схематическое изображение экспериментальной установки и электрическая цепь для получения вольтамперных 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 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 (аргон, азот) в камере может меняться в области p = (0.75-7.5)∙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 Te и концентрацию плазмы np. Результаты и их обсуждение На рис. 2 приведены зависимости концентрации плазмы в полом аноде np и температуры электронов в плазме Te от тока разряда id при различных токах накала термокатода if и различных давлениях газа для аргона и азота. Видно, что для разряда в аргоне величины тока накала термокатода и давления газа слабо влияют на величину концентрации плазмы в широком диапазоне токов разряда. Температура электронов в плазме полого анода практически не зависит от тока разряда при высоких значениях тока накала термокатода. При низком токе накала температура электронов увеличивается с ростом тока. При снижении давления газа температура электронов также снижается. При этом значения температуры электронов лежат в диапазоне ((1.6-2.2)±0.2) эВ. Рис. 2. Зависимости концентрации плазмы в полом аноде np и температуры электронов в плазме Te от тока разряда id при различных токах накала термокатода if и различных давлениях газа: а, в - аргон; б, г - азот Для разряда в азоте такая слабая зависимость концентрации плазмы и температуры электронов от тока накала и давления наблюдается только при высоких значениях токов if. С понижением тока накала та же концентрация плазмы достигается при более низких токах разряда и температуре электронов в плазме. Значения температуры электронов лежат в диапазоне ((1-1.8)±0.2) эВ. Для описания механизмов поддержания плазмы в полом аноде большого объема можно использовать модель, представленную нами ранее в работе [30]. Основные положения модели удобно объяснить с помощью рис. 3. Пространство катодной полости C заполнено плазмой отрицательного свечения NG. Эта плазма поддерживается благодаря ионизации газа быстрыми электронами, которые эмитируются с катода и ускоряются в катодном слое lc под действием разности потенциалов Vс. Полный ток разряда на поверхности катода i складывается из тока эмиссии и тока ионов на катод. Ионы движутся на катод в бесстолкновительном режиме под действием разности потенциалов kT/2e, которая прикладывается к так называемому предслою [1, 29]. Рис. 3. Схематическое изображение областей разряда и распределений потенциала применительно к модели поддержания тока в разряде с полым катодом 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. Часть электронов, появившихся в плазме за счет ионизации газа быстрыми электронами с катода, может уходить из плазмы в анодную полость. Это относится к тем электронам, энергии которых достаточно, чтобы преодолеть барьер отрицательного падения потенциала вблизи анода ΔV1. Ток эмиссии из катодной полости должен быть приблизительно равным полному току разряда, поэтому высота барьера самосогласованно устанавливается таким образом, чтобы удовлетворить этому условию. В полом аноде глубиной hА = (d - hC) располагается плазма положительного столба PC. Столб отделен от отрицательного свечения двойным электрическим слоем Δld [1, 18]. 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. Характерной особенностью разрядов низкого давления газа является то, что вблизи анода имеется отрицательный потенциальный барьер. Часть плазменных электронов, появившихся в плазме положительного столба 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 из плазмы положительно столба в катодную полость С чрезвычайно мал и полный ток разряда на выходе из катодной полости переносится только электронами. 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 без столкновений под действием разности потенциалов kTe/2e, приложенной предслою [1, 18]. По сути величина тока ионов на анод в данном случае есть ток Бома. Будем также считать, что рекомбинационные потери в плазме пренебрежимо малы. Тогда длина области прианодного падения потенциала lA > Ti = Tg. Плазма в полости почти до самой стенки анода является квазинейтральной, причем ее концентрация ne(r) > Ti = Tg не выполняется, и мы получаем завышенные значения концентраций. С другой стороны, из выражения (5) видно, что константа ионизации имеет экспоненциальную зависимость от температуры электронов. В этом случае даже небольшое изменение величины Te в пределах погрешности измерений приведет к существенному приращению величины концентрации n0. Например, если для условий id = 40 А, if = 110 А, p = 3•10-3 Торр подставить в (5) Te = 1.2 эВ, то концентрация n0 будет составлять 3.4∙1011 см-3. Заключение Проведены исследования разряда с полым катодом и нитью накала внутри полости и полым анодом большого объема. Измерены концентрация и температура электронов в плазме полого анода. Показано, что для разряда в аргоне величина тока накала термокатода и давления газа слабо влияет на величину концентрации в широком диапазоне токов разряда, а температура электронов в плазме полого анода практически не зависит от тока разряда при высоких значениях тока накала термокатода. Для разряда в азоте слабая зависимость концентрации и температуры электронов от тока накала и давления наблюдается только при высоких значениях токов накала термокатода. Предложены методы оценки концентрации плазмы в полом аноде большого объема. Показано, что в предположении равномерности распределения плотности плазмы в объеме оценка величины концентрации оказывается более чем на порядок ниже, чем в эксперименте. Учет неравномерности распределения с привлечением диффузионной модели переноса заряженных частиц при однородном распределении константы ионизации газа плазменными электронами позволил провести более корректные оценки концентрации плазмы.

Скачать электронную версию публикации