Plasma generation in a high-current glow discharge with a hollow cylindrical cathode using two electron sources.pdf Введение Ионно-плазменные методы обработки поверхности металлов и сплавов широко применяются в современной промышленности с целью азотирования, активации поверхности и нанесения износостойких покрытий. Ионно-плазменная обработка крупногабаритных протяженных изделий из металлов и сплавов накладывает определенные сложности по равномерной обработке поверхности. В используемой нами электродной системе для зажигания основного несамостоятельного сильноточного тлеющего разряда низкого давления в полом катоде большой площади используется инжекция электронов из вспомогательного дугового разряда через сеточный многоконусный электрод. Неравномерность обработки протяженных изделий связанна с конструкцией электродной системы, в которой, как правило, инжекция заряженных частиц происходит из одной области, что создает неравномерность распределения извлекаемых частиц и неравномерность распределения плазмы тлеющего разряда. Применение нескольких инжекторов заряженных частиц в системе с несамостоятельным тлеющим разрядом с полым катодом большой площади встречается редко [1]. В предлагаемой электродной системе имеется возможность независимой регулировки тока и напряжения горения тлеющего разряда, рабочего давления в вакуумной камере, а также горения несамостоятельного тлеющего разряда в импульсном режиме, что позволит получить концентрацию плазмы на порядок выше по сравнению с самостоятельным тлеющим разрядом [2, 3]. При проектировании крупногабаритных систем требуется спрогнозировать распределение плазмы в объеме рабочей камеры. В случае проектирования и создания систем, в которых используются два и более источника электронов, требуется предварительное прогнозирование распределения концентрации плазмы в полом катоде. В данной работе исследуется возможность применения принципа суперпозиции для прогнозирования распределения концентрации плазмы в полом катоде сильноточного тлеющего разряда низкого давления с двумя источниками электронов. Под принципом суперпозиции понимается соблюдение равенства экспериментально полученного распределения концентрации плазмы в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда при совместной работе двух и более источников электронов и алгебраической суммы распределений концентрации плазмы, полученных при раздельной работе источников электронов. Описание экспериментальной установки Проверка возможности применения принципа суперпозиции проводилась на экспериментальном стенде, представленном на рис. 1. Вакуумная камера была изготовлена в виде полого цилиндра диаметром 600 мм, высотой 1200 мм и объемом 0.34 м3. Основной несамостоятельный тлеющий разряд зажигался между полым катодом, роль которого выполняли стенки вакуумной камеры, и разнесенным кольцевым анодом. Для стабильного зажигания и горения несамостоятельного тлеющего разряда использовались источники электронов на основе дугового разряда с интегрально холодным полым катодом. Вспомогательный дуговой разряд в каждом из источников электронов зажигался между полым катодом и конусным сеточным электродом, который являлся анодом вспомогательного дугового разряда и находился под потенциалом камеры. Электроны, эмитированные через конусный сеточный электрод, осциллировали в полом катоде тлеющего разряда и производили ионизацию газа. Источники электронов располагались соосно напротив друг друга на продольной оси вакуумной камеры. Ввиду особенностей вакуумной камеры и ее крепления к станине источники электронов имеют некоторую несимметричность. Определение концентрации плазмы проводилось зондовым методом с использованием одиночного цилиндрического зонда Ленгмюра. Для измерения зондовых характеристик в камеру вводился цилиндрический зонд диаметром 0.8 мм и длиной 4.5 мм. Зонд перемещался вдоль продольной оси вакуумной камеры с шагом 200 мм поочередно на расстоянии R = 0, 130 и 260 мм от продольной оси вакуумной камеры. Рис. 1. Схема экспериментальной установки Для сравнения экспериментально полученных величин длины свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями λei и распределений параметров плазмы (температуры электронов (Te), потенциала плазмы ( ), концентрации плазмы ( )) c расчетными используются коэффициенты неоднородности , , , соответственно. Коэффициент неоднородности k равен максимальному отклонению величины параметра плазмы от среднего значения, деленному на его среднее значение: , (1) где Nn - значение величины концентрации плазмы в n-й точке пространства с заданными координатами; Nср - среднее арифметическое значение концентрации плазмы в заданных точках пространства. Длина свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями рассчитывалась по формуле , (2) где - концентрация плазмы; - сечение кулоновского взаимодействия [4]. Чем коэффициент неоднородности ниже, тем распределение более равномерное. Исследования характеристик тлеющего разряда проводились в импульсном режиме горения разряда в квазистационарном режиме горения. Поскольку время фронта разрядного импульса составляло для различных напряжений горения и мощности в разряде до 2 мс, то все характеристики разряда и измерения параметров плазмы проводились на третьей миллисекунде разрядного импульса при частоте следования импульсов f = 38 Гц с коэффициентом заполнения γ = 13% (рис. 2). Рис. 2. Характерные осциллограммы импульсов тока Id и напряжения Ud несамостоятельного тлеющего разряда Перед началом эксперимента вакуумная камера откачивалась турбомолекулярным насосом до давления 5•10-3 Па, затем напускался азот особой чистоты до требуемого давления. В ранее проведенных работах исследовалось влияние формы и расположения анода тлеющего разряда на распределение плотности ионного тока [5, 6]. В результате исследований было показано, что наиболее оптимальной для анода является форма кольца и расположение его в области геометрической тени для инжектируемых электронов. Важную роль играет также и симметричность электродной системы. Поэтому целесообразно разделить анод на две части и расположить их симметрично относительно инжекторов электронов. Во всех экспериментах давление рабочего газа азота составляло 0.6 Па, напряжение горения тлеющего разряда - 160 В, токи дугового разряда - 20 и 45 А. Результаты исследований и их обсуждение Применимость принципа суперпозиции во многом определяется линейностью системы, т.е. в первую очередь линейной зависимостью тока основного тлеющего разряда от тока инжекции. В ходе экспериментов были получены эмиссионные характеристики несамостоятельного тлеющего разряда в импульсно-периодическом и постоянном режимах горения (рис. 3 и 4). На эмиссионных характеристиках несамостоятельного тлеющего разряда, полученных как в импульсном, так и в постоянном режимах, зависимости для случаев раздельной работы источников электронов накладываются друг на друга. Это говорит об одинаковой эмиссионной способности каждого источника электронов в отдельности. Зависимости тока дугового разряда от тока несамостоятельного тлеющего разряда при раздельной и совместной работе источников электронов носят линейный характер. Суммарные значения, полученные при сложении значений точек, полученных при раздельной работе источников электронов (зависимость 4), с точностью до 15% совпадают с экспериментальным. Рис. 3. Эмиссионные характеристики несамостоятельного тлеющего разряда, полученные в импульсном режиме: 1 - источник электронов № 1; 2 - источник электронов № 2; 3 - совместное включение источников электронов; 4 - расчетное распределение Рис. 4. Эмиссионные характеристики несамостоятельного тлеющего разряда, полученные в постоянном режиме: 1 - источник электронов № 1; 2 - источник электронов № 2; 3 - совместное включение источников электронов; 4 - расчетное распределение Минимальный ток вспомогательного дугового разряда, при котором стабильно горит основной тлеющий разряд, равен 20 А. Необходимо отметить, что ток инжекции в плазму тлеющего разряда с учетом прозрачности сетчатого эмиссионного электрода (45%) составляет 9 А. В ходе эксперимента сначала включали источник электронов № 1 и получали продольное распределение концентрации плазмы N. Затем источник электронов № 1 выключали и включали источник электронов № 2 и также получали продольное распределение концентрации плазмы от источника электронов № 2. Затем оба источника электронов включали совместно. Далее значения, полученные в одинаковых координатах при раздельной работе источников электронов, складывались и получалось суммарное распределение. Для наглядности распределение концентрации плазмы построено в виде карты распределения, представленной на рис. 5. Карта распределения концентрации плазмы в полом катоде была построена по имеющимся экспериментальным данным путем интерполяции по радиусу и экстраполяции по длине протяженного полого катода. Распределение концентрации плазмы (рис. 5) получено при токе дугового разряда 20 А в источнике электронов № 1 (режим 1). Рис. 5. Распределение концентрации плазмы при включении источника электронов № 1 при токе дугового разряда 20 А (режим 1) На рис. 6 представлено распределение концентрации плазмы при включении источника электронов № 2 при токе дугового разряда 20 А (режим 2). Рис. 6. Распределение концентрации плазмы при включении источника электронов № 2 при токе дугового разряда 20 А (режим 2) Распределения имеют схожий характер: максимум концентрации плазмы вблизи источника инжекции электронов и дальнейшее уменьшение в продольном и радиальном направлениях. На рис. 7 представлено распределение концентрации плазмы при совместном включении источников электронов № 1 и 2 при токах дугового разряда 20 А (режим 3). Рис. 7. Распределение концентрации плазмы при совместном включении источников электронов № 1 и 2 при токах дугового разряда 20 А (режим 3) При совместном включении источников электронов распределение плазмы в полом катоде становится более равномерным. На рис. 8 представлено суммарное распределение концентрации плазмы при токах дугового разряда 20 А (режим 4). Рис. 8. Суммарное распределение концентрации плазмы при токах дугового разряда 20 А (режим 4) Суммарное распределение идентично по форме с экспериментальным. Для сравнения полученных распределений концентрации плазмы при токах дугового разряда 20 А в продольном и радиальном направлениях, были рассчитаны коэффициенты неоднородности плазмы kN для каждой точки снятия данных (табл. 1 и 2). Таблица 1 Радиальное распределение коэффициента неоднородности концентрации плазмы kN Режимы 0 мм 200 мм 400 мм 600 мм 800 мм 1000 мм Режим 1 63% 42% 34% 39% 39% 11% Режим 2 49% 53% 39% 44% 42% 53% Режим 3 52% 40% 29% 37% 37% 43% Режим 4 52% 45% 37% 42% 38% 48% Таблица 2 Продольное распределение коэффициента неоднородности концентрации плазмы kN R, мм Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 4 0 100% 87% 14% 6% 130 80% 74% 8% 15% 260 70% 79% 25% 26% Максимальное численное отклонение значений концентраций плазмы для режимов 3 и 4 составляет 20% и наблюдается на продольной оси полого катода. На рис. 9 представлено распределение концентрации плазмы при включении источника электронов № 1 при токе дугового разряда 45 А (режим 5). Ток инжекции в этом случае составляет чуть более 20 А. Рис. 9. Распределение концентрации плазмы при включении источника электронов № 1 при токе дугового разряда 45 А (режим 5) Распределение концентрации плазмы в данном случае аналогично и более равномерно заполняет больший объем полого катода. На рис. 10 представлено распределение концентрации плазмы при включении источника электронов № 2 при токе дугового разряда 45 А (режим 6). Несимметричность распределений концентрации плазмы, полученных при включении источников электронов № 1 и 2, связана с несимметричностью электродной системы. На рис. 11 представлено распределение концентрации плазмы при совместном включении источников электронов № 1 и 2 при токах дугового разряда 45 А (режим 7). Рис. 10. Распределение концентрации плазмы при включении источника электронов № 2 при токе дугового разряда 45 А (режим 6) Рис. 11. Распределение концентрации плазмы при совместном включении источников электронов № 1 и 2 при токах дугового разряда 45 А (режим 7) При включении двух источников электронов по 45 А коэффициент неоднородности в продольном направлении не превышает 8%. На рис. 12 представлено суммарное распределение концентрации плазмы при токах дугового разряда 45 А (режим 8). Рис. 12. Суммарное распределение концентрации плазмы при токах дугового разряда 20 А (режим 8) Для сравнения полученных распределений концентрации плазмы при токах дугового разряда 45 А в продольном и радиальном направлениях были рассчитаны коэффициенты неоднородности плазмы для каждой точки снятия данных (табл. 3 и 4). Таблица 3 Радиальное распределение коэффициента неоднородности концентрации плазмы kN Режимы 0 мм 200 мм 400 мм 600 мм 800 мм 1000 мм Режим 5 58% 19% 19% 28% 28% 17% Режим 6 23% 40% 28% 27% 32% 40% Режим 7 34% 29% 22% 20% 25% 34% Режим 8 40% 26% 23% 24% 31% 36% Таблица 4 Продольное распределение коэффициента неоднородности концентрации плазмы kN R, мм Режим 5 Режим 6 Режим 7 Режим 8 0 75% 74% 8% 12% 130 66% 58% 4% 18% 260 62% 57% 5% 27% Максимальное численное отклонение значений концентраций плазмы для режимов 7 и 8 составляет 26% и наблюдается в области геометрической тени инжектируемых электронов. При включении двух источников электронов с токами дугового разряда 45 А разница между суммарным распределением концентрации плазмы в продольном направлении (режим 8) и экспериментальным (режим 7) увеличивается по сравнению со случаем включения двух источников электронов с токами дугового разряда 20 А (режимы 4 и 3 соответственно). Это можно объяснить тем, что при токах дугового разряда 45 А распределение потенциала плазмы становится более неоднородным. На рис. 13 представлено распределение потенциала плазмы при совместной работе двух источников электронов с токами 20 и 45 А (режимы 3 и 7 соответственно). Рис. 13. Распределение потенциала плазмы при токах дугового разряда 20 А (режим 3) (а) и 45 А (режим 7) (б) Значения коэффициентов неоднородности распределения потенциала плазмы в продольном и поперечном направлениях для токов дугового разряда 20 и 45 А приведены в табл. 5 и 6. Таблица 5 Радиальное распределение коэффициента неоднородности потенциала плазмы k Режимы 0 мм 200 мм 400 мм 600 мм 800 мм 1000 мм Режим 3 21% 33% 15% 25% 38% 29% Режим 7 64% 53% 48% 57% 44% 61% Таблица 6 Продольное распределение коэффициента неоднородности потенциала плазмы k R, мм Режим 3 Режим 7 0 8% 13% 130 15% 12% 260 12% 26% В среднем разброс значений потенциала плазмы для режима 3 составляет примерно 0.7 В, а для режима 7 - 1.4 В. Неоднородность распределения потенциала плазмы приводит к направленному движению низкоэнергетичных электронов в сторону увеличения потенциала. Следствие этого мы можем наблюдать на карте распределения длины свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями. На рис. 14 представлено распределение длины свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями при токах дугового разряда 20 и 45 А (режимы 3 и 7 соответственно). Рис. 14. Распределение длины свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями при токах дугового разряда 20 А (а) и 45 А (б) Значения коэффициентов неоднородности распределения длины свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями в продольном и поперечном направлениях для токов дугового разряда 20 и 45 А приведены в табл. 7 и 8. Таблица 7 Радиальное распределения коэффициента неоднородности длины свободного пробега между кулоновскими взаимодействиями λei Режимы 0 мм 200 мм 400 мм 600 мм 800 мм 1000 мм Режим 3 90% 39% 79% 79% 32% 84% Режим 7 9% 39% 35% 19% 15% 12% Таблица 8 Продольное распределения коэффициента неоднородности длины свободного пробега между кулоновскими взаимодействиями λei R, мм Режим 3 Режим 7 0 7% 27% 130 33% 4% 260 48% 20% При сравнении двух распределений видно, что значения длины свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями при токах дугового разряда 45 А существенно ниже и более однородно распределены по объему полого катода. Уменьшение длины свободного пробега между кулоновскими взаимодействиями приводит к более частому изменению траектории движения заряженных частиц и, как следствие, к улучшению распределения концентрации плазмы в полом катоде. Заключение В осесимметричной цилиндрической системе генерации плазмы на основе сильноточного несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления с полым катодом с инжекцией электронов из двух источников электронов, расположенных на верхнем и нижнем основаниях полого катода, с высокой точностью действует принцип суперпозиции. Отклонение экспериментальных характеристик и полученных в результате арифметического сложения составляет не более 15% для импульсного режима горения и не более 10% для постоянного режима. При исследовании распределений концентраций плазмы показано, что для рассматриваемой системы при токах тлеющего разряда до 200 А принцип суперпозиции распределений концентрации плазмы реализуется со степенью точности не хуже 26%. При повышении токов дугового разряда примерно в 2 раза, с 20 до 45 А, точность выполнения принципа суперпозиции снижается. Так, при включении двух источников электронов с токами 20 А максимальная неоднородность в продольном направлении составила 25%, в радиальном - 52%, максимальное отклонение коэффициентов неоднородности - 8%. Максимальное численное отклонение значений концентраций плазмы для эксперимента и распределения, полученного в результате сложения распределений, полученных при отдельной работе источников электронов, составляет 20% и наблюдается на продольной оси полого катода. При включении двух источников электронов с токами 45 А максимальная неоднородность в продольном направлении составила 8%, в радиальном - 34%, максимальное отклонение коэффициентов неоднородности - 25%. Максимальное численное отклонение значений концентраций плазмы для эксперимента и распределения, полученного в результате сложения распределений, полученных при отдельной работе источников электронов, составляет 26% и наблюдается в области геометрической тени инжектируемых электронов. Дополнительные исследования показали, что при включении двух источников электронов с токами 45 А неоднородность распределения потенциала плазмы возрастает, что приводит к направленному движению низкоэнергетичных электронов в сторону увеличения потенциала. Длина свободного пробега электрона между кулоновскими взаимодействиями уменьшается, что приводит к более частому изменению траектории движения заряженных частиц и, как следствие, к улучшению распределения концентрации плазмы в полом катоде. В случае арифметического сложения распределений, полученных при отдельной работе источников электронов, данная особенность не учитывается. Это приводит к возрастанию рассогласования экспериментального и суммарного распределений при увеличении тока инжекции источников электронов.

Скачать электронную версию публикации