Стержневые полые катоды с общим анодом как система коаксильных конденсаторов

© В.К Балханов, В.П. Нархинов, 2002

УЛК 530.1

В.К Балханов, В.П. Нархинов

СТЕРЖНЕВЫЕ ПОЛЫЕ КАТОЛЫ С ОБШИМ АНОЛОМ КАК СИСТЕМА КОАКСИЛЬНЫХ КОНЛЕНСАТОРОВ

В статье описывается экспериментальная установка, на которой авторами изучается «эффект полого катода». Предлагается теоретическая модель, описывающая экспоненциальный рост вольт - амперной характеристики. Анализируются некоторые следствия, вытекающие из предложенной модели.

Введение. Интерес к исследованиям разрядов низкого давления в поперечном магнитном поле вызван прежде всего использованием разряда в ускорителях плазмы с замкнутым дрейфом электронов, в магне-тронных устройствах технологического назначения, в качестве генератора плазмы в электронных и ионных источниках [1]. Несколько десятилетий экспериментально изучается так называемый «эффект полого катода», возникающий в разрядах низкого давления. Генераторы плазмы для источников электронов должны удовлетворять ряду требований, одним из которых является минимально возможные затраты мощности на формирование плазмы и достаточный ресурс работы. Этим требованиям удовлетворяют газоразрядные структуры с холодным полым катодом [2, 3].

Обычно при разряде между катодом и анодом возникает ионизированная плазма, которая экранирует поток электронов. Вследствие этого зависимость между током и напряжением будет не линейный закон Ома, а более сложный - степенной - «закон 3/2». С учетом прикатодного падения потенциала От вольт -амперная характеристика принимает следующий вид:

J= к

где к - постоянная. Значение ит можно оценить из следующего. Если ф - потенциал ионизации газа, п -коэффициент вторичной эмиссии, складываемый из вторичных электронов, выбиваемых из катода падающими электронами, фотонами и ионами, то ит = ф/п. Так, для аргона ф = 15.75 эВ, и при п = 0.14 будет ит = 15.75

---------- = 240 В. Дополнительный коэффициент,

0.14 • 0.45

равный 0.45, является вероятностью ионизации молекул аргона электронами при энергии последних 250 эВ [4]. Эффект полого катода заключается в том, что при некотором напряжении (для аргона при давлении 8 Па это напряжение равно 300 В) происходит резкое падение потенциала почти до исходного и0 при одновременном в 2-4 раза росте тока.

Затем ток, как это следует из нашей теории, экспоненциально растет. Вольт - амперная характеристика

Рис. 1. Конструкция газоразрядного устройства; 1 - анод, 2 -стержневые катоды, 3 - постоянные магниты, 4 - корпус, 5 - пен-ниговская ячейка, 6 -катодные полости, 7 - эмиссионный канал; а) магнитная система; б) стержневой катод с Т-образной катодной полостью

принимает следующий вид:

1= I exp

Сравнение с экспериментом показывает, что U0 « ф.

Далее наше изложение будет состоять из двух частей. В первой части мы дадим описание экспериментальной установки, а вторая часть будет посвящена теории.

Г енератора газоразрядной

плазмы. Опишем газоразрядное устройство, конструктивная схема которого представлена на рис. 1. Особенности генератора газоразрядной плазмы обусловлены спецификой структуры электродов кольцевого типа. Конструкция состоит из анода 1 в виде тора и 28 стержневых катодов 2 с Т - образными полостями, катоды 2 радиально с углом сходимости 12.8 0 на половину своей длины, и постоянные магниты 3 заглублены в корпус 4 диаметром 260 мм, выполненный в форме кольца с полостью прямоугольного сечения из немагнитной стали 12Х18Н10Т. Выступающие внутрь стержни 2 делят полость анодного электрода 1 на 28 ячеек Пеннинга 5. Анод 1 диаметром 200 и высотой 24 мм собран из цилиндра и двух съемных колец Г - образной формы сечения, при смыкании (размыкании) двух колец образуется эмиссионный канал 7 с регулируемой высотой проходного сечения. Попарно скрепленные 56 постоянных магнитов 3 из БшСо5, обращенных к друг другу одноименными полюсами (рис. 1а) создают кольцевое магнитное поле с индукцией ~ 0.1 Тл. Таким образом, магнитное поле концентрируется между катодами 2 и периодически меняет направление силовых линий на противоположное от ячейки к ячейке. Короткие ячейки обеспечивают достаточную однородность магнитного поля и как следствие высокие значения разрядного тока [5-8]. Плазмообразующий газ натекает в полость корпуса 4 и равномерно распределяется по катодным полостям.

Эксперименты проводились в диапазоне давлений

газа p = 3,5*10 -1 г 8 Па. На рис. 2 представлены вольт - амперные характеристики секционированного разряда с полыми катодами, инициируемого вспомогательным отражательным разрядом. Отражательный разряд поддерживается в форме подобной ано-

Рис. 2. Вольт - амперные характеристики; 1) - р = 3,5* 10-1 Па, кривая 3; 2) - р = 8 Па, кривая 1; 3) расчет, кривая 2

мальному тлеющему разряду с характерными для него приэлектродными областями, основная часть напряжения разряда сосредоточена в катодном падении потенциала. Известно [9], что в тлеющем разряде происходит объемное протекание тока и наблюдается прикатодное падение потенциала Ь п

и£ =| Ейх , протяженность которого Ь к уменьша-

0

ется с увеличением разрядного тока.

В пределах участка АБ вольтамперной характеристики разряда (рис. 2, кривая 3) при давлении газа р~ 3,5-10 -1 Па горит слаботочный отражательный разряд, полость катода не влияет на разряд. Проникновению плазмы отражательного разряда в Т - образную полость препятствует катодное падение потенциала перед апертурами полости. С дальнейшим увеличением разрядного тока Ь к уменьшается настолько, что происходит разрыв ионной оболочки, т.е. выполняется условие Ь к < С п /2 и плазма отражательного разряда проникает в полость (точка Б’) при сравнительно высоком напряжении разряда и > 1000 В. Поскольку проникающая в полость плазма разряда является источником ионов и ультрафиолетового излучения, имея потенциал близкий к анодному, обеспечивает радиальное электрическое поле в полости и поток ионов на стенки по всей длине полости. В результате развиваются эмиссионные и ионизационные процессы, сопровождаемые увеличением разрядного тока и резким падением напряжения горения разряда от значений в точке Б’ до соответствующего значения точки В’. Участок кривой В’Г’ вольтамперной характеристики соответствует режиму горения основного, т.е. отражательного разряда типа аномального тлеющего с 28 полыми катодами.

Одно из объяснений существования аномальных разрядов основано на увеличении коэффициента вторичной эмиссии катода за счет фотоэффекта под действием излучения ультрафиолетовой области спектра отрицательного свечения. Плотность тока электронов из катода складывается из электронов, выбитых положительными ионами, и электронов, освобожденных из катода путем фотоэффекта [10].

Свойства отражательного разряда с полым катодом, исследованные в работах [11-13] показывают, что существует оптимальное отношение длины полости к диаметру полости (Ь п /С п)опт = 7 -г- 9, при котором ток разряда достигает максимального значения, а напряжение горения - минимального. Причем экспериментальные данные справедливы как при постоянном расходе газа, напускаемого в полость, так и при постоянном давлении в ней. Качественное описание перехода одного вида разряда в другой характерно и для ВАХ разряда при давлении газа р = 8 Па (рис. 2, кривая 1).

Для оценки параметров кольцевой плазмы применялся одиночный цилиндрический зонд Ленгмюра (вольфрамовая проволока 0 0.1 мм), вводимый через центр грани стержневого катода в полость. Обработку результатов зондовых измерений выполняли, исходя

из теоретических положений одиночного зонда. Анализ измерений показал, что при токе разряда I р = 0,2 А, напряжении горения и р = 300 В и давлении аргона Р = 6,13 Па основные параметры плазмы составляли Те ~ (6^7)10 4 К, п е = 4,5-1018 м-3, ф0 ~ 374 В, где Т е - температура электронов, пе - концентрация электронов, ф0 - потенциал плазмы.

Модель коаксильного конденсатора. На участке АБ на рис. 2 имеем обычный режим объемного заряда с учетом тормозящего потенциала вблизи катода [4, 10]. Вольт - амперная характеристика описывается известным «законом 3/2», формула (1). Так, для давления в 8 Па параметры к и ит имеют следующие значения: ит = 240 В, к = 0.22, где и измеряется в Вольтах, а I- в Амперах. На рис. 2 график, даваемый «законом 3/2» не указан, он практически не отличим от экспериментальных точек.

На участке БВ будет режим включения полого катода, когда происходит резкое падение напряжения с одновременным увеличением тока. Затем ток начинает расти по кривой ВГ. Если принять, что на участке ВГ имеем режим заряженной плазмы [14], то можно предложить следующую простую модель. Полый катод обладает цилиндрической симметрией, его радиус гк. По оси катода расположено плотное облако электронов, совокупность которых можно считать нижней обкладкой коаксильного конденсатора, т.е. анода радиусом гА. Если п - плотность электронов, то полный заряд анода <7 = епп гА2Ь, где е - модуль заряда электрона, Ь - длина коаксильного конденсатора. Ниже мы

увидим, что гА = 3.3* 10-5 м. При температуре Т = 6-104

К дебаевский радиус г = —----- = 8-10-6 м, где 8 0 -

V е2 п

диэлектрическая постоянная. Видим, что радиус анода составляет четыре дебаевских радиуса. По -видимому, о модели коаксильного конденсатора можно говорить только в случае, когда радиус анода существенно больше дебаевского радиуса.

Электрическое поле между обкладками Е ~1/г, потенциал ф ~ - 1п г. Исключая радиус, получаем Е ~

ф

е , здесь мы не выписываем несущественные для вычислений коэффициенты. Плотность тока у = р V, где плотность зарядов (в цилиндрической системе коор-

е0 й (гЕ) п

динат) р =-------------. Для скорости примем следую-

г йг

щую зависимость от поля : V= ц Г2 Е В этом выражении явно не выписано неоднородное магнитное поле, предположено только, что ее учет ведет к квадратичной зависимости скорости от радиуса. Тогда у = -

80^ й

2 dr

(rE У . Полный ток

I =

jpV • 2nLdr = лє{)^ (k2Ek2 - га2Ea2 ).

rA

Пренебрегая вторым слагаемым в скобках и подставляя

E А

q Г 2n?oL

2------7— ехР|---------UA

2жЄoLrA ^ q

окончательно получаем выражение (2), причем:

,2

10 =

U o

jjq

4пє0 L

q

2

(к_

rA

ЄПГа

ttjjL

4є0

2

(enrArk )2

4пє0І, 4є0

Значения и0 и 10 с использованием экспериментальных данных выбирались по следующей методике. Сначала бралось некоторое начальное значение и0, затем для каждого известного из набора I и Ц находилось I , по совокупности которых определялась относительная погрешность є ) = <5 I >/< I > Далее методика повторялась сначала, но с другим значением Ц0,

для которого находилось свое в, . В конце отбиралось

такое и0, для которого £1 минимально. Так, для давления в 8 Па было получено

JA)

4.48 •Ю 6 • exp

U

22.37

Теперь, используя известные и0 и / , из формул (3) и (4) можно найти следующие величины:

гк = 3.3-10-5 м; Ц = 5.6-106 (Ус)-1.

Кривая, даваемый формулой (5), представлен на рис. 2 указателем 2 между точками ВГ. Наблюдается удовлетворительное согласие с экспериментальными данными.

Заключение. В статье описана устройство экспериментальной установки и ее работа. Предложена теоретическая модель «коаксильный конденсатор», на основе которой объяснен экспоненциальный рост ВАХ в режиме работы «эффекта полого катода». Модель позволяет сделать следующий вывод. Коаксильный конденсатор обладает емкостью С = 4тсв0Ь/1п(гк/гА), в данном случае он оказывается равным 8-10-13 Ф. Определим сопротивление К = иА//А, для иА= 250 В и /А = 0.5 А сопротивление оказывается равным 500 Ом. Теперь можно найти частоту а = И^ЯС = 50 кГц, типичная частота радиоизлучений. Можно предположить, что полый катод является источником радиоволн. Было бы интересно зафиксировать такое излучение.

По своему смыслу величина (иАц)-1 является временем свободного пробега электронов, здесь она порядка 10-9 с, что для плазменных масштабов является большой величиной. Можно заключить, что двигаясь в скрещенных неоднородных электрических и магнитных полях электрон в основном не испытывает столкновений. Это находится в согласии с моделью коаксильного конденсатора, при котором область между обкладками для электронов является свободным.

СПИ-OK ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мозгрин Д.В., Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Экспериментальное исследование сильноточных форм квази-стационарного разряда низкого давления в магнитном поле // Физика плазмы. 1995. N 5. Т. 21. С. 422-433.

2. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е, Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. - М.: Энергоатомиз-дат, 1989. 256 с.

3. Семенов А.П. Пучки распыляющихся ионов: получение и применение. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского научного центра СО РАН, 1999. 207 с.

4. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1979. 448 с.

5. Пакулин В.Н. Магниторазрядные ячейки с неоднородным периоди-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ческим магнитным полем // ПТЭ.1979. N 4. - С. 202-204.

6. Семенов А.П, Нархинов В.П. Плазменный источник электронов с радиально сходящимся пучком // nT3.1993.N2. - С. 131-136.

7. Нархинов В.П. Техника и методика экспериментов в разработке модифицированных источников заряженных частиц // Электротехни-ка.2001.Ш0. - С. 41-46.

8. Семенов А.П, Нархинов В.П. Сильноточный тлеющий разряд в электродной структуре стержневых катодов с полым анодом//ЖТФ.1993.Т.63. Вып.8.- С.17-24.

9. Москалев В.П. Разряд с полым катодом. - М.: Энергия, 1969.

10. Єгигсіеу У.А., КгеіпсІеІ У.Е, Уа-эу/уеуа й.О. РесиІіагійеБ of ехсіїайоп of

a hollow - cathode reflex discharge. // In: Proc. Tenth. Internat. Cjnf. On Phenomena in Ionized Gases. Oxford, 1974. P.111.

11. Груздев В.А. Исследование плазменного источника электронов на основе модифицированного пеннигов-ского разряда. Автореф. канд. дис. -Томск, 1970. 23 с.

12. ГрановскийВ.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. - М.: Наука, 1971. 543 с.

13. Васильева Г.Г. Эффект полого катода в газоразрядных системах со скрещенными электрическим и магнитным полями. Автореф. канд. дис. -Томск,1974. 19 с.

14. Девидсон Р. Теория заряженной плазмы. - М.: Мир, 1978. 216 с.

Балханов В.К, Нархинов В.П. - отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Ш

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 65 мин.

Дата печати: 02.12.2008 23:26:00

При последней печати страниц: 3

слов: 2 180

знаков: 12 426

БАЛХАНОВ

G:\^ работе в универе\2002\Папки 2002\GIAB12-0 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do

УДК

Alexandre Katalov

25.10.2002 14:21:00 30

02.12.2008 23:08:00 Таня