Научная статья на тему 'Генерация эмиттирующей плазмы большой поверхности несамостоятельным тлеющим разрядом низкого давления с полым катодом'

Генерация эмиттирующей плазмы большой поверхности несамостоятельным тлеющим разрядом низкого давления с полым катодом Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
353
139
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Нархинов В. П.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Нархинов В. П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The work suggests and describes realisation of an effective method that allows to obtain volumetric plasma, delimited by two parallel-plane cathodes of large surface in cylindrical space of the common small height anode. It also describes the mechanism of electrical physical processes taking place in various modes of volumetric plasma generation. Threshold values for parameters of volumetric smoldering type discharge with full cathode are determined.

Текст научной работы на тему «Генерация эмиттирующей плазмы большой поверхности несамостоятельным тлеющим разрядом низкого давления с полым катодом»

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: lib@pres.bsc.buryatia.ru

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.