CC BY
127
УДК 537.534.2
ГЕНЕРАЦИЯ ЭМИТТИРУЮЩЕЙ ПЛАЗМЫ БОЛЬШОЙ ПОВЕРХНОСТИ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПОЛЫМ КАТОДОМ
В.П. Нархинов
Отдел физических проблем при Президиуме БНЦ СО РАН. г. Улан-Удэ E-mail: [email protected]
Предложен и реализован эффективный метод получения объемной плазмы, ограниченной двумя плоскопараллельными катодами большой площадью поверхности в цилиндрическом пространстве общего анода малой высоты. Рассмотрены процессы, протекающие в различных режимах генерации объемной плазмы. Определены пороговые значения параметров тлеющего разряда с полым катодом.
Введение
Расширяющееся применение электронных пучков большого сечения в электрофизических и технологических установках стимулирует улучшение параметров традиционных источников на термокатодах и холодных катодах [1-3] и разработку источников на основе плазменных эмиттеров [4, 5].
Известные способы создания объемного разряда основываются на осуществлении предварительной ионизации газовой среды, которая может быть произведена вспомогательным разрядом. В общем случае, такие системы можно рассматривать как системы с "двойным разрядом", поскольку имеют место два различных разряда [6].
Эффективность генераторов плазмы определяется в основном минимальными затратами мощности в разряде и ресурсом. Таким требованиям удовлетворяют кольцевые источники плазмы с холодным полым катодом [7-10].
В настоящей работе описан механизм проникновения заряженных частиц плазмы вспомогательного пеннинговского разряда в катодную полость, даны оценки пробоя газового промежутка и режимов горения объемного разряда, указаны возможные пути улучшения параметров данной газоразрядной системы.
Методика эксперимента и полученные результаты
Конструктивные особенности обусловили выбор кольцевой геометрии разрядной камеры вспомогательного разряда с азимутально-однородной плазмой [11]. "Поджигающий" разряд возбуждает объемный разряд в цилиндрической полости, ограниченной двумя плоскопараллельными катодами.
Схематично (рис. 1, а, б, масштаб не соблюден) генератор объемной плазмы представляет собой разрядную камеру, образованную общим анодом -1 (внутренний цилиндр тороида), сплошным катодом - 5 и сетчатым катодом - 6 с окном - 7, прозрачностью 0,64. Рабочий газ поступает в камеру вспомогательного разряда и откачивается через эмиссионную щель - 4 сквозь сетчатое окно - 7. Вспомогательный и основной разряды питаются от единого стабилизированного источника тока с плавно регулируемым выходным напряжением 0...1,5 кВ. Анод подключен через Д=200 Ом. При
включении схемы контакты К1, К2, КЗ замыкаются и зажигается вспомогательный разряд.
Рис. 1. Конструктивная схема генератора объемной плазмы: 1) общий полый анод; стержни) полюсные наконечники; 3) постоянные магниты внешнего магнитного поля; 4) эмиссионная щель; 5) сплошной катод; 6) сетчатый катод; 7) выходное окно сетчатого катода
На рис. 2 приведены ВАХ разрядов и зависимость ионного тока на катодах от тока вспомогательного разряда. В режиме горения вспомогательного разряда с растущей характеристикой на участке АВ протяженность области анодного падения потенциала где (о - потенциал плаз-
мы, (а - потенциал анода, [2] превышает высоту проходного сечения окна эмиссионной щели и отделяет плазму вспомогательного разряда от пространства катодной полости. Несмотря на это, в цепи катодов - 5 и 6 фиксируется слабый ток ионов. С ростом разрядного тока (рис. 2, а) до 200 мА ионный ток достигает 0,15 мА и плазма вспомогательного разряда радиально проникает в цилиндрическую полость, поскольку ленгмюровский слой перед апертурой эмиссионной щели разрывается.
Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 5
Механизм и физическая картина проникновения плазмы в катодную полость представляется следующим.
Рис. 2. Зависимость ионного тока на катодах от тока вспомогательного разряда (а) и разрядные В АХ (б): кривая 1 - вспомогательный разряд; кривая 2 - основной, объемный разряд тлеющего типа; кривая 5 - режим объемного разряда без доли вспомогательного разряда при давлении газа ~0,026 Па; кривые 3 и 4 сняты при давлении ~0,066 Па
При наличии внешней неэлектрической силы, перпендикулярной магнитному полю (направление вакуумной откачки), плазма, как целое, двигается в направлении силы с ускорением. Более того, движение плазмы в магнитном поле может быть вызвано и силами, обусловленными неоднородностью магнитного поля в 28-и разрядных ячейках. Под действием центробежной силы, обусловленной движением частиц вдоль силовых линий, и диамагнитной силы, связанной с ларморовским вращением частиц, заряженные частицы плазмы должны двигаться в направлении уменьшения магнитного поля от внешней магнитной стенки из набора постоянных магнитов -3 (рис. 1, а) со значением магнитной индукции В~0,1 Тл, в сторону ослабления, т.е. в направлении эмиссионной щели - 4 с выходом в пространство за анодом с магнитной индукцией В~0,02 Тл. Измере-
ния в данных областях проводили прибором РШ1-10. Плазма является источником ионов и ультрафиолетового излучения, эти ионизаторы увеличивают выход электронов с катодов [12].
В результате катодных и ионизационных процессов плотность плазмы увеличивается, резко возрастает ток разряда и одновременно снижается напряжение горения разряда (переход из точки В в точку С, рис. 2, б). Зажигается основной разряд с явно выраженным эффектом полого катода и горит в широком диапазоне токов на участке ЕД, кривая 2. При токе ~70 мА основной разряд гаснет. Верхний предел тока объемного разряда лимитировался мощностью источника питания разряда. Экспериментально установлено (кривая 5), что после отключения цепи вспомогательного разряда (ключ К2 - разомкнут) основной разряд устойчиво горит в диапазоне тока 50...500 мА. При сравнении кривых 2 и 5 разрядных характеристик, эффективность "коллективного" горения разрядов очевидна.
С повышением давления аргона происходит более крутой рост разрядного тока, зажигание объемного разряда облегчается, поскольку его возбуждение происходит при меньших значениях напряжения горения вспомогательного разряда (кривая 4 снята при р ~ 0,066 Па).
Тлеющий разряд низкого давления характеризуется в основном прикатодными процессами; осциллирующие электроны не попадают на анод, поскольку в объеме разряда вне незначительного прианодного слоя радиальное электрическое поле отсутствует. Колебания вторичных электронов в потенциальной "ловушке" вызывают рост ионизационных процессов в расширенной катодной полости, приводящий к увеличению плотности плазмы и разрядного тока. Таким образом, аномальность тлеющего разряда низкого давления можно объяснить режимом полого катода.
Широко известные плазменные эмиттеры непрерывного действия с большой поверхностью [4, 5] на основе аксиальной инжекции заряженных частиц из отражательного разряда с холодным полым катодом в специальный полый электрод-расширитель работают в разных режимах. Наиболее эффективным считается режим объемного разряда в формирователе, а проникающая плазма вспомогательного разряда обеспечивает зажигание этого разряда. Однако реализация такого режима требует либо увеличения давления в формирователе >0,05 Па, что ухудшает прочность ускоряющего промежутка, либо наложения магнитного поля на разряд. В силу этого требуется ввод дополнительных элементов, что усложняет конструктивную схему в целом и увеличивает энергоемкость газоразрядного устройства. Для создания относительно равномерного распределения заряженных частиц в плазме объемного разряда удобны системы с несколькими локальными источниками. Источники, в качестве которых используются обращенные газовые магнетроны [13], размещены на боковой поверхности анодной камеры. Для достижения рав-
номерности распределения заряженных частиц по всей длине прямоугольной анодной камеры применены дополнительные меры для компенсации краевых эффектов за счет увеличения тока на катоды крайних газомагнетронов.
Анализ условий образования объемной плазмы и механизмов ее формирования, исключающих пространственную неоднородность распределения заряженных частиц, свидетельствует о низкой эффективности плазменных эмиттеров подобного типа.
Метод многосторонней радиальной "накачки" заряженными частицами катодной полости объемной разрядной камеры изначально исключает выше обозначенные проблемы образования плазмы, а режим "коллективного" горения в единой газоразрядной системе электродов формирует присеточ-ную плазму с достаточно равномерным распределением плотности заряженных частиц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 112 с.
2. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А. и др. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 256 с.
3. Кан Х.С., Дроздецкая Л.П., Аброян М.А. и др. Создание и исследование холодных катодов для формирования электронных пучков большого сечения: Тез. докл. Vn Всес. симпозиума по сильноточной электронике. - Томск, 1988. - Ч. 1. - С. 70-72.
4. Источники электронов с плазменным эмиттером / Под ред. Ю.Е. Крейнделя. - Новосибирск: Наука, 1983. - 115 с.
5. Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером / Под ред. П.М. Щанина. - Екатеринбург: УИФ "Наука", 1993. - 148 с.
6. Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме. - М.: Наука, 1987. - 160 с.
7. Семенов А.П., Нархинов В.П. Плазменный эмиттер на основе тлеющего разряда в электродной структуре сетчатого и пластинчатого катодов большой площадью // Приборы и техника эксперимента. - 1996. - № 3. - С. 98-102.
При разработке и создании генераторов объемной плазмы следует найти разумный технический подход и решить многофакторную оптимизационную задачу по определению геометрических, электрофизических и вакуумных параметров.
Пробой в газе зависит от концентрации электронов, созданных вблизи катодов внешним ионизатором или выбитыми ионами с поверхности развитых плоскопараллельных катодов, которые размножаются, двигаясь через катодный слой к области квазинейтральной плазмы. Поскольку вспомогательный (инициирующий) тлеющий разряд в магнитном поле является источником интенсивного ультрафиолетового излучения, то для увеличения числа начальных фотоэлектронов в плазмооб-разующий газ Аг можно вводить легкоионизуемые добавки в виде органических соединений, например, диметиланилин или молекулы N0.
8. Пат. 2096857 РФ. Широкоапертурный плазменный эмиттер / А.П. Семенов, В.П. Нархинов. Заявлено 01.03.96. Опубл. 21.11.97, Бюл. № 32. - 10 с: Ил. 1.
9. Narchinov V.P. Gas discharge electron source with radially wide and axially narrow cylinder cavity // Proc. of 5th Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk: Vodo-ley, 2000. - P. 214-217.
10. Нархинов В.П. Новые кольцевые источники плазмы с полыми катодами // Теплофизика высоких температур. - 2004. - № 6.
- С. 980-982.
11. Семенов А.П., Нархинов В.П. Сильноточный тлеющий разряд в электродной структуре стержневых катодов с полым анодом // Журнал технической физики. - 1993. - Т. 63. - № 8. -С. 17-24.
12. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. - М.: Наука, 1971.
- 544 c.
13. Бойко В.В., Кузьмичев А.И., Суханов В.Н. и др. Плазменная эмиссионная электроника // Труды I Всес. совещания по плазменной эмиссионной электронике. - Улан-Удэ, 1991. -С. 106-109.
