CC BY
12ФИЗИКА
УДК 537.521
Н.А. Ашурбеков, К.О. Иминов, О.В. Кобзев, В.С. Кобзева, Г.Ш. Шахсинов
Исследование влияния профиля поверхности катода на электрокинетические и оптические характеристики высоковольтного наносекундного разряда
Дагестанский государственный университет, [email protected]
Экспериментально исследованы электрические характеристики и пространственное распределение оптического излучения поперечных наносекундных разрядов с полым катодом в диапазоне давлений газа 1-100 Тор и амплитуд импульсов напряжения 0,5-5 кВ. Показано, что оптимальным, с точки зрения генерации электронных пучков, является разряд с катодом с прямоугольной полостью вдоль него, где величина тока пучка на поверхности анода достигает 20 % от величины разрядного тока.
Ключевые слова: наносекундный разряд, полый катод, электронный пучок.
Electric characteristics and spatial distribution of optical radiation in cross-section nanosecond discharge with the hollow cathode in gas pressure range 1-100 Tor and voltage impulses amplitudes 0,5-5 kV are experimentally investigated. It is shown that optimal from the point of view of electron beams generation is discharge with a rectangular cavity in the cathode where the beam current value on anode surface reaches to 20 % from a value of discharge current.
Keywords: nanosecond discharge, hollow cathode, electron beam.
Введение
В последние годы активно ведутся исследования аномально тлеющих разрядов с катодом с отрицательной кривизной поверхности для получения пучков ускоренных электронов при повышенных давлениях газа [1-3]. В поиске эффективных газоразрядных систем, в которых электронные пучки формируются непосредственно в газовой среде в процессе электрического пробоя газа, важную роль играет выбор профиля электродов и конструкции газоразрядной камеры. В большинстве устройств сильноточной электроники для этих целей используют импульсный наносекундный газовый разряд. Интерес к наносекундному импульсному режиму возбуждения обусловлен не только необходимостью получения коротких импульсов излучения, но и возможностью достижения высоких значений перенапряжения на газовом промежутке, при котором электроны могут переходить в режим непрерывного ускорения [4]. С другой стороны, преимуществом импульсного наносекундного возбуждения является возможность повышения давления рабочей среды при сохранении однородности и объемности разряда. В настоящее время существуют две схемы формирования разряда, а именно - продольное и поперечное возбуждение. Наиболее перспективными с практической точки зрения являются разряды с поперечным возбуждением, так как они требуют меньших значений рабочих напряжений и позволяют получать плазму в достаточно больших объемах, необходимых, например, для использования в качестве активных сред газовых лазеров [5, 6].
Целью данной работы является экспериментальное исследование влияния профиля поверхности катода на процесс формирования пучков высокоэнергетичных электронов и оптические характеристики поперечного сильноточного наносекундного разряда в гелии.
Методика и техника эксперимента
Для экспериментального исследования влияния профиля поверхности катода на электрокинетические и оптические характеристики поперечных наносекундных разрядов была использована автоматизированная экспериментальная установка, подробное описание которой приведено в [6]. Накопительный элемент генератора импульсных напряжений (ГИН) был собран по схеме Блюмляйна из керамических малоиндуктивных конденсаторов типа КВИ-3, расположенных непосредственно на электродах с двух сторон разрядной камеры, соединенных полосковыми линиями. Такая их компоновка позволяет получить минимальную индуктивность разрядного контура и как следствие -наносекундные длительности фронта импульса напряжения. Кроме того, использование в ГИН схемы Блюмляйна позволяет реализовать режим удвоения напряжения и получать импульсы напряжения с регулируемой амплитудой. В качестве коммутирующего устройства в ГИН использован керамический тиратрон с водородным наполнением типа ТГИ1-500/16, включенный по схеме с общим катодом.
Разрядная камера представляет собой кварцевую трубку диаметром 3 см, в которую помещены два алюминиевых электрода (рис. 1 а), расположенных на расстоянии 0,6 см друг от друга. Один из электродов (катод) в первом случае представляет собой плоскую пластину длиной 5 см, шириной 2 см и толщиной 0,5 см (рис. 1 б). Во втором и третьем случаях катод имеет сложную геометрию, - он представляет собой цилиндрический стержень длиной 5 см и диаметром 1,2 см, вдоль которого во втором случае прорезана полость полукруглой формы радиусом 0,3 см (рис. 1 в), а в третьем случае полость прямоугольной формы шириной 0,2 см и глубиной 0,6 см (рис. 1 г). Анод во всех случаях представляет собой плоскую пластину длиной 5 см, шириной 2 см и толщиной 0,5 см.
б) в) г)
Рис. 1. Разрядная камера. а) Общий вид разрядной камеры. б) Электродная система с плоскими электродами. в) Электродная система с катодом с полукруглой полостью. г) Электродная система с катодом с прямоугольной полостью (1 - кварцевая труба; 2 - анод; 3 - катод)
Измерение тока разряда и напряжения горения производилось с помощью
омического шунта и калиброванного делителя напряжения. Для измерения тока последовательно разрядному промежутку включается распределенный шунт из малоиндуктивных сопротивлений типа ТВО величиной 1 Ом. Напряжение на разрядном промежутке измерялось омическим делителем, собранным также из малоиндуктивных сопротивлений с соответствующей коррекцией в области высоких частот. В качестве регистрирующих приборов использовались двухканальный аналогово-цифровой преобразо-
ватель (АЦП), подключенный к персональному компьютеру, и электронный осциллограф типа Tektronix TDS3032B.
Оптические картины интегрального свечения разряда регистрировались с помощью цифровой ПЗС-камеры типа KCT3138. Общее число пикселей в используемой ПЗС-камере составляет: 811 (горизонталь) х 508 (вертикаль), число эффективных пикселей: 768x494.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Были выполнены экспериментальные исследования осциллограмм тока и напряжения горения разряда и закономерностей изменения амплитудных значений тока и напряжения горения в диапазоне давлений газа в разрядной камере 1-100 Тор и амплитуд прикладываемого к электродам напряжения 0,5-5 кВ. В этих же условиях исследованы пространственное распределение оптического излучения в полости катода и в разрядном промежутке, а также динамика формирования разряда. Исследования проводились в разрядах с тремя типами катодов, описанными выше.
На рис. 2 приведены характерные осциллограммы электрических характеристик и картины пространственного распределения оптического излучения исследуемого разряда в гелии при давлении газа в разрядной камере р = 10 Тор и значении прикладываемого к электродам внешнего напряжения U0 = 2 кВ.
в)
Рис. 2. Осциллограммы напряжения горения и разрядного тока и картины пространственного распределения оптического излучения разряда: а) электродная система с плоскими электродами; б) электродная система с катодом с полукруглой полостью; в) электродная система с катодом с прямоугольной полостью (р = 10 Тор, и0 = 2 кВ)
При исследовании разряда с полым катодом было установлено, что при повышении значения и0 до 1 кВ пробой газа происходит на плоской вершине импульса напряжения, а амплитуда разрядного тока слабо зависит от напряжения. Начиная со значений прикладываемого напряжения 1 кВ и выше, амплитуда тока резко возрастает с ростом напряжения. При высоких напряжениях пробой происходит на переднем фронте импульса напряжения до достижения им максимального значения (рис. 2). Отметим, что в работе исследуется наносекундный разряд в перенапряженном промежутке, где при некоторых условиях перенапряжение достигает более 100 %, поэтому значения напряжения горения (и) и значения и0 существенно различаются.
Из рис. 2 видно, что при указанных условиях во всех трех электродных системах форма и амплитудные значения импульсов напряжения горения разряда примерно совпадают. Длительность переднего фронта импульсов иг составляет примерно 100 нс, а амплитудные значения импульсов иг 3 кВ. При этом значения разрядного тока (1р) многократно различаются. Для электродной системы на рис. 2 а плотность разрядного тока 2 2 ]р = 4,1 А/см , для электродной системы на рис. 2 б]р = 2,2 А/см и для электродной системы на рис. 2 в ]р = 24 А/см2. Электродная система с катодом с прямоугольной полостью позволяет получать плотности разрядного тока на порядок больше, чем другие исследованные электродные системы, при одинаковых внешних условиях.
Анализ характерных картин пространственного распределения оптического излучения в разрядном промежутке и в полости катода показывает, что оптические свойства разряда существенно зависят от формы профиля поверхности катода. Во всех случаях мы имеем дело с коротким аномально тлеющим разрядом. В разрядном промежутке с плоским катодом наблюдается равномерное свечение разряда, которое носит диффузный характер. С ростом величины прикладываемого напряжения одновременно растет и интенсивность диффузного излучения во всем разрядном промежутке. В разряде с катодом с полукруглой полостью положительный столб отсутствует и короткий разряд состоит из областей катодного падения потенциала, отрицательного свечения и фараде-ево темного пространства (рис. 2 б). С ростом величины напряжения горения разряда уменьшается область фарадеево темного пространства за счет увеличения области отрицательного свечения и одновременно увеличивается интенсивность оптического излучения во всем промежутке. При высоких напряжениях область отрицательного свечения заполняет весь промежуток между катодом и анодом. Практически при всех ис-
следованных условиях в центре полукруглой полости наблюдается небольшое ярко светящееся пятно круглой формы (рис. 2 б).
В разряде с катодом с прямоугольной полостью у выхода из щели катода наблюдается область с максимальной яркостью излучения (рис. 2 в). При увеличении напряжения горения размеры яркого пятна у выхода из щели увеличиваются за счет расширения пятна по центру разряда в сторону анода.
Оптические картины показывают, что форма поверхности катода определенным образом влияет на динамику развития разряда, следовательно, и на пространственное распределение основных параметров разрядной плазмы.
Результаты исследований зависимостей амплитудных значений Uг и ^ от давления газа показывают, что характер изменения и амплитудные значения напряжения горения и разрядного тока также существенно зависят от формы поверхности катода. Например, в разряде с плоским катодом при увеличении давления газа от 5 до 60 Тор величина напряжения горения плавно уменьшается от 3200 до 2300 В. Величина разрядного тока при увеличении давления газа от 5 до 30 Тор увеличивается от 35 до 47 А и выходит на максимум. Дальнейший рост давления приводит к уменьшению величины тока, и при р = 60 Тор величина тока составляет 35 А, как и при р = 5 Тор (рис. 3 а).
В разряде с катодом с полукруглой полостью значение напряжения горения при увеличении давления газа от 5 до 60 Тор уменьшается от 3500 до 2800 В, а значение разрядного тока, наоборот, постепенно увеличивается от 15 до 60 А (рис. 3б).
и,в
г
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
ч
И 1 + 1 8 !
0 10 20 30 40 50 60
р, Тор
I ,А 0 600 540 480 420 360 300 240 180 120 60
' Р, Тор
в)
Рис. 3. Зависимости амплитудных значений разрядного тока и напряжения горения от давления газа в гелии: а) электродная система с плоскими электродами; б) электродная система с катодом с полукруглой полостью; в) электродная система с катодом с прямоугольной полостью (и0 = 2 кВ)_
0
0
10
20
30
40
50
В разряде с катодом с прямоугольной полостью значение напряжения горения при увеличении давления газа от 5 до 30 Тор уменьшается от 3400 до 2300 В, при дальнейшем увеличении давления газа происходит небольшой рост напряжения горения, и при р = 60 Тор оно составляет 2600 В. Значение разрядного тока при увеличении давления газа от 5 до 20 Тор увеличивается от 420 до 540 А, проходит через максимум и при дальнейшем повышении давления газа уменьшается и при р = 60 Тор падает до 350 А (рис. 3 в).
Из рис. 3 видно, что при примерно одинаковых значениях напряжения горения величина разрядного тока в случае разряда с катодом с прямоугольной полостью на порядок больше, чем в двух первых случаях.
На основании полученных экспериментальных результатов сделаем сравнительный анализ исследованных поперечных наносекундных разрядов с тремя различными электродными системами с позиций соответствия их известному аномально тлеющему разряду и оценки эффективности формирования электронных пучков в этих разрядах.
Известно, что если пучок электронов формируется в катодном слое объемного заряда (что имеет место для исследуемых разрядов), то напряжение горения может быть близким к величине катодного падения потенциала (КПП) (Ц), а для Ц может использоваться закон подобия Щ = /(¡/р2). Аппроксимация этой зависимости для гелия дает следующее соотношение [7]:
] /р2 = 2.5 х10"12и3. (1)
По формуле (1) были определены плотности тока] для эквивалентного аномально тлеющего разряда в гелии при значениях напряжения горения соответствующих максимумам разрядного тока. Оценки были сделаны для различных значений и0. Полученные значения ] и экспериментальные данные плотности тока разряда на катоде ¡к приведены в табл. 1 и 3. Из табл. 1 видно, что для разряда с плоскими электродами значения ¡к и ] примерно совпадают и в этом случае разряд близок к аномально тлеющему разряду. В случае разряда с катодом с полукруглой полостью (табл. 2) значение¡к до трех раз больше, чем значение¡, а в случае разряда с катодом с прямоугольной полостью (табл. 3) значение¡к до 15 раз превышает значение ¡. В этих случаях разряд отличается от аномально тлеющего разряда, и это отличие электрических характеристик поперечного наносекундного разряда с полым катодом от аномального разряда обусловлено эффектом полого катода и геометрией разрядного промежутка.
Осциллограммы¡р(^) и иг(р) можно использовать для оценки плотности тока электронного пучка (¡и(0). Как известно, плотность анодного тока выражается формулой
ja = ПеОе в,
где ив = ЬвЕ - дрейфовая скорость электронов в плазме; пв - число электронов, образованных в плазме пучковыми и вторичными электронами при столкновении с атомами газа.
Как видно из таблиц, электроны пучка в разряде с полым катодом ускоряются до энергии более тысячи эВ. Эти ускоренные электроны пучка теряют свою энергию на ионизацию атомов газа в процессе многократных столкновений с ними, и полное число рожденных вторичных электронов можно оценить соотношением:
zi Ei,
где Ei - энергия рождения пары электрон - ион (для гелия Ei = 46 эВ).
Предположим, что анодный ток обусловлен только вторичными электронами. Исходя из условия непрерывности тока в электрической цепи, можно приближенно считать
ja ~zijn. (2)
По формуле (2) были получены оценки плотности тока электронного пучка для разрядов с тремя электродными системами, которые приведены в табл. 1-3.
Оценки показывают, что оптимальным для генерации электронных пучков из трех исследованных типов разрядов является разряд с катодом с прямоугольной полостью, где величина тока пучка на поверхности анода достигает 20 % от величины разрядного тока (табл. 3).
Таблица 1. Основные параметры разряда и заряженных частиц в гелии с плоскими электродами
Uo, B иг, В jk, А/см2 jkj jn, А/см2 s, эВ Ц Л, см
1000 1100 0,3 1,06 0,021 660 0,189 - 6,256 1,07
1500 1400 1,4 1,36 0,077 840 0,174 - 5,763 1,37
2000 2400 4,1 1,17 0,131 1440 0,134 - 4,411 2,35
2500 3100 9,5 1,28 0,234 1860 0,117 - 3,869 3,00
3000 3400 14,5 1,47 0,327 2040 0,112 - 3,694 3,32
Таблица 2. Основные параметры разряда и заряженных частиц в гелии с катодом
с полукруглой полостью
Uo, B иг, В jk, А/см2 jk/j jn, А/см2 s, эВ Ц Л, см
1000 1200 0,15 1,7 0,011 720 0,050 - 3,00 1,17
1500 1750 0,42 1,4 0,023 1050 0,042 - 2,52 1,71
2000 2400 1,2 1,7 0,042 1440 0,037 - 2,22 2,35
2500 2600 2,8 3,1 0,081 1560 0,036 - 2,16 2,54
3000 3800 6,0 2,1 0,120 2280 0,028 - 1,68 3,72
Таблица 3. Основные параметры разряда и заряженных частиц в гелии с катодом
с прямоугольной полостью
Uo, B иг, В jk, А/см2 jk/ j jn, А/см2 s, эВ Ц Л, см
1000 390 0,23 15 0,045 234 0,059 - 3,54 0,29
2000 750 1,39 12 0,142 450 0,049 - 2,94 0,79
3000 960 2,50 10 0,200 576 0,044 - 2,64 1,16
4000 1120 4,50 14 0,308 672 0,042 - 2,52 1,47
Для определения степени влияния характера релаксации энергии ускоренных электронов на динамику оптического излучения и структуру исследуемых разрядов оценим энергии ускоренных электронов и установим связь между пространственным распределением оптического излучения и длиной пробега этих электронов в плазме.
Как известно, произведение рёк для условий аномального тлеющего разряда стремится к значению 0,37 рёк„„ [8], гдерёк„„ = 0,97 Тор-см - параметр подобия катодного слоя в нормальном тлеющем разряде в гелии [9]. Следовательно, для наносекундного разряда с полым катодомрёк < 0,36 Тор-см. Значение длины области КПП (ёк) для исследуемых разрядов можно оценить из сопоставления результатов расчета зависимости ёк от плотности тока разряда из [4] с условием рёк < 0,36 Тор-см. При давлении газа р = 10 Тор получим ёк « 0,01 см, что хорошо согласуется с результатами [10].
Оценка длины свободного пробега электронов по отношению к неупругим процессам для гелия дает величину Я = 1/(„0а0) ~ 810-2 см прир = 10 Тор, где „0 = 3,3-1016р[Тор] см-3
—17 2
- концентрация атомов, а0()) « 410 см - максимальное сечение ионизации [11]. Из сопоставления значений Я и ёк видно, что для всех исследованных условий Я > ёк электроны, эмитируемые с поверхности катода, проходят область КПП без столкновений и набирают энергию ) = вик. Длины пробега ускоренных электронов в плазме Л оценим из аппрокси-мационной формулы Л = 6,5-^(еЩ1,54 [12], где Ц = 3и/5 [13].
Оценочные значения энергии )и длин пробега Л ускоренных электронов для разрядов с тремя электродными системами приведены в табл. 1-3. Отметим, что при оценках релаксация ускоренных электронов по импульсу не учитывалась, поскольку при ) > 75 эВ распределение электронов является сильно анизотропным и их релаксация по направлению практически не происходит [14]. Полученные значения Л являются оценками сверху длины пробега ускоренных электронов. Длина пробега быстрых электронов, имеющих энергию катодного падения потенциала еЩк, определяет длину области отрицательного свечения. Сравнение Л с длиной светящихся областей у катода на рис. 2 показывает, что эти величины совпадают и эти области есть области отрицательного свечения.
В разряде в качестве критерия, определяющего границу перехода от пучкового режима движения электронов к гидродинамическому, можно использовать соотношение [15]:
/ = „01а, (¡)1п ¡ = 1, (3)
где а()) - сечение ионизации, Ь - расстояние между электродами, 3 = ^^ I - потенциал ионизации. Используя для сечения известную аппроксимацию а = а01)~11„()1~1), перепишем (3) в виде:
/ = «оОо ¿(]п ¡)2/ 3 = 1. (4)
Условие л = 1 соответствует режиму, при котором поток электронов, развивающийся в плазме, сравним с потоком первичных электронов, выходящих с катода. При / < 1 реализуется пучковый режим. Если в разряде идет эффективная генерация вторичных, третичных и т. д. электронов (л > 1), происходит переход в гидродинамический режим.
Оценки для л, полученные из соотношения (4) на границе катодного слоя с плазмой и у поверхности анода, для разрядов с катодом с различной формой поверхности также приведены в табл. 1-3.
Эти оценки показывают, что для исследуемых условий с преобладанием ионизирующих столкновений л имеет нелокальный характер. Сила ионизационного трения медленно увеличивается в направлении анода, и пучковый режим движения электронов, который имеет место в катодном слое, постепенно переходит в гидродинамический режим. Этот переход наступает позже в разряде с катодом с полукруглой полостью. Наиболее благоприятные условия для ионизации в таких условиях реализуются вблизи анода. Отметим, что за счет многократного отражения быстрых электронов, эмитируемых от боковых поверхностей щели, и их колебательного движения внутри щели ионизационные процессы эффективно идут и в щели катода.
Заключение
Таким образом, в исследованном типе разряда с полым катодом генерируются электронные пучки с энергией электронов более 1 кэВ. Оптимальным для генерации электронных пучков из трех исследованных типов разрядов является разряд с катодом с прямоугольной полостью, где величина тока пучка на поверхности анода достигает 20 % от величины разрядного тока.
Для исследованных разрядов до середины разрядного промежутка характерен пучковый режим движения ускоренных в области катодного падения потенциала первичных электронов, и в этой области число первичных быстрых электронов больше, чем плазменных электронов.
Плотность тока в поперечном разряде наносекундной длительности с катодом с прямоугольной полостью на порядки больше, чем в эквивалентном аномально тлеющем разряде. Столь существенное отличие jk от j для поперечного наносекундного разряда с полым катодом можно использовать для получения мощных наносекундных импульсов тока при небольших фиксированных значениях прикладываемого напряжения.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, РФФИ, проект 10-02-01022-а.
Литература
1. Бурдовицин Ю.А., Барачевский Ю.А., Окс Е.М. и др. // ЖТФ. 2006. Т. 76. Вып. 10. -С. 62-65.
2. Ашурбеков H.A., Иминов К.О., Кобзев О.В., Кобзева В.С. // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 12. - С. 47-54.
3. Сорокин А.Р. // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 3. - С. 46-53.
4. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. - М.: Наука, 1991. -224 с.
5. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Курбанисмаилов В.С., Омаров О.А. // Оптика и спектроскопия. 1998. Т. 84. № 4. - С. 556-562.
6. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзев О.В., Кобзева В.С. // ЖТФ. 2010. Т. 80. Вып. 8. - С. 63-70.
7. Клименко К.К., КоролевЮ.Д. // ЖТФ. 1990. Т. 60. Вып. 9. - С. 138-142.
8. Сорокин А.Р. // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17. № 2-3. - С. 266-275.
9. Бычков Ю.И., Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Инжекционная газовая электроника. - Новосибирск: Наука, 1982. - 240 с.
10. Абрамович Л.Ю., Клярфельд Б.Н., Настич Ю.Н. // ЖТФ. 1966. Т. 36. Вып. 4. - С. 714-719.
11. Физические величины / Под ред. Григорьева Н.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энерго-атомиздат, 1991. - 1232 с.
12. La Verne Jay A., Mozumder A.J. // Phys. Chem. 1985. V. 89. № 20. - P. 4219-4225.
13. АшурбековН.А., ИминовК.О., КобзеваВ.С., Кобзев О.В. // ТВТ. 2007. Т. 45. № 3. -С. 485-491.
14. Друкарев Г.Ф. Столкновения электронов с атомами и молекулами. - М.: Наука, 1978. - 255 с.
15. УльяновК.Н. // ТВТ. 2005. Т. 43. № 5. - С. 645-656.
Поступила в редакцию 21 декабря 2010 г.
