WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 10 04;12 Определение удельной ионной эрозии катода вакуумной дуги на основе измерения полного ионного тока из разрядной плазмы © А. Андерс,1 Е.М. Окс,2 Г.Ю. Юшков,2 К.П. Савкин,2 Я. Браун,1 А.Г. Николаев2 1 Lawrence Berkeley National Laboratory University of California, Berkeley, California, USA 2 Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия e-mail: savkin@opee.hcei.tsc.ru (Поступило в Редакцию 13 февраля 2006 г.) Представлены результаты определения удельной ионной эрозии катода i на основе измерения полного ионного тока из плазмы вакуумной дуги для материалов: C, Mg, Al, Ti, Co, Cu, Y, Mo, Cd, Sm, Ta, W, Pt, Pb, Bi. Показано, что в токе вакуумного дугового разряда i изменяется от 5 до 19%, в зависимости от катодного материала. Экспериментально обнаружена обратная зависимость между долей ионного тока i и энергией связи атомов материала катода. Установлено, что создание внешнего магнитного поля в катодной области разряда приводит к увеличению извлекаемого из плазмы разряда полного ионного тока только за счет появления в плазме ионов с более высокими зарядовыми состояниями, при этом значение удельной ионного эрозии i остается постоянной величиной.

PACS: 82.45.Fk, 52.80.Vp Введение В результате несложных действий данное выражение можно преобразовать к следующему виду:

Основные методические трудности экспериментальноMi i = i, (2) го исследования катодных процессов вакуумного дуговоQi го разряда связаны с его физическими особенностями.

Действительно, все основные процессы испарения и где Mi — атомная масса материала катода, Qi — ионизации материала катода сосредоточены в катодных средняя зарядность ионов плазмы данного материала, пятнах — нестационарных плазменных образованиях, e — заряд электрона, а символ i характеризует полный быстро перемещающихся по поверхности катода и ионный ток Ii, нормированный на ток разряда Id:

окруженных плотной плазмой с концентрацией свыше Ii 1020 cm-3. Характерный пространственный масштаб ка- i =. (3) Id тодного пятна — доли микрометра, временной масштаб их существования — десятки наносекунд [1]. Ввиду Исследования по определению удельной ионной эроисключительной экспериментальной сложности иссле- зии, выполненные ранее Кимблиным [3], проводились дования параметров плазмы в самом катодном пятне с использованием разрядной системы из плоскопаралперспективным методом является изучение продуктов лельных катода и анода, окруженных цилиндрическим взрывной эмиссии, эмитированных катодным пятном, экраном, выполнявшим функцию коллектора ионов. Ваи восстановление из этих данных динамики процесса куумный дуговой разряд функционировал с амплитудой их функционирования. Указанный подход, названный тока до нескольких сотен ампер в непрерывном режиме.

нами эмиссионным методом, был продемонстрирован на Длительность единичного цикла воздействия дуги на капримере исследования зарядовых состояний и скоростей тод составляла единицы секунд, при полном временном ионного компонента плазмы вакуумной дуги [2]. цикле от десяти до нескольких сотен секунд. Для измерения полной катодной эрозии применялся метод Одной из принципиальных задач дальнейшего исслеопределения массы израсходованного материала путем дования физики катодных процессов вакуумного дуговзвешивания катода до и после воздействия на него вого разряда является точное определение количества разряда. Степень эрозии определялась по соотношению катодного материала, трансформировавшегося в разряде из твердотельной фазы в плазменную. Оно характери m g =, (4) зуется удельной ионной эрозией i, параметром равным q отношению произведения атомной массы материала кагде m — расход катодного материала, а q = тода Mi на число ионов Ni к количеству перенесенного = Iarc(t)dt — перенесенный заряд. Очевидно, что при вакуумным дуговым разрядом электрического заряда q:

помощи подобных методов не представлялось возможным оценить долю ионов в катодной плазме, участвуюNiMi i =. (1) щих в процессе переноса массы материала, поскольку q 58 А. Андерс, Е.М. Окс, Г.Ю. Юшков, К.П. Савкин, Я. Браун, А.Г. Николаев наряду с ионами катодный материал расходуется в виде микрокапельной фракции. Именно возрастание катодной эрозии с увеличением количества заряда, перенесенного вакуумной дугой, замеченное впоследствии Даалдером [4], былo интеpпретировано в работах [5,6] как рост доли микрокапельной фракции в процессах переноса катодного материала. Это было связано с увеличением температуры катода при росте количества перенесенного разрядом электрического заряда. Предположение о совпадении значений полной катодной g и удельной ионной i эрозий при низких токах (десятки ампер) и малых длительностях вакуумного дугового разряда [4] оказывалось в достаточной степени условным, так как впоследствии Г. А. Месяцем [1] было показано, что именно в процессе отрыва капли от струи жидкого металла происходит образование нового эмиссионного центра катодного пятна.

Другим принципиальным моментом измерения удельной ионной эрозии по эмитированному ионному току с использованием плоскопараллельной геометрии электродов [3] является некорректность предположения об изотропном пространственно-угловом распределении Рис. 1. Конструкция диагностической разрядной системы.

ионного потока из катодных пятен. В более поздних работах [7] было показано, что степень анизотропии распределения определяется в основном материалом катода и тем больше, чем выше температура плавления пробой, приводивший к возникновению на торцевой катодного материала. Именно это делает невозможным поверхности электрода 2 катодных пятен вакуумного расчет полного ионного тока исходя из измерения части дугового разряда. Длительность функционирования разионов, эмитированных в пределах заданного телесного ряда определялась параметрами источника питания на угла. основе искусственной формирующей линии и составляла 500 µs при токе амплитудой до 500 A. Источником Настоящая работа посвящена определению удельной питания цепи инициирующего разряда служила батарея ионной эрозии материала катода i из катодных пятен конденсаторов с регулируемой емкостью от 1 до 25 µF, в вакуумном дуговом разряде методом измерения доли ионного тока на основе разрядной системы, позволя- разряжаемая через повышающий трансформатор, обесющей регистрировать полный ионный ток из катод- печивающий импульсы напряжения амплитудой от 0.до 2.5 kV. Вакуумная откачка производилась криосорбной плазмы. Следует особо отметить, что полученные ционным насосом с обеспечением остаточного давления значения i характеризуют отношение расхода массы материала катода в виде ионов к количеству заряда, пе- до 10-7 Torr.

Для проведения измерений ионного тока с необходиренесенного в результате функционирования вакуумной мым учетом азимутального распределения плазменного дуги, независимо от эмиссии микрокапельной фракции потока из катодных пятен вакуумной дуги сеточный или углового распределения ионного потока из катодных анод 1 c прозрачностью сетки = 0.72 и коллектор пятен.

ионов 4 были выполнены в виде полусфер, причем рабочая поверхность катода 2 размещалась в центре Экспериментальная установка полусфер. Между заземленным сеточным анодом и коллектором прикладывалось стабилизированное постоЭкспериментальные исследования удельной ионной янное напряжение, извлекавшее ионы на коллектор и эрозии материала катода вакуумного дугового разря- препятствовавшее попаданию на него плазменных элекда осуществлялись с применением разрядной системы, тронов. Напряжение 100 V было достаточно, с одной схематически представленной на рис. 1. Для иниции- стороны, чтобы наблюдалось насыщение ионного тока в рования катодных пятен на рабочей поверхности като- широком диапазоне токов вакуумного дугового разряда, да использовался вспомогательный разряд по торцевой а с другой — чтобы электроны, эмитированные в резульповерхности керамической трубки между катодом 2 и тате вторичной ионно-электронной эмиссии, не вносили коаксиальным ему, охватывающим керамику, иницииру- существенных искажений в измерения ионного тока.

ющим электродом 3. При заполнении плазмой вспомо- Для исследования влияния внешнего магнитного поля гательного разряда основного разрядного промежутка, на функционирование вакуумного дугового разряда в образованного анодом 1 и катодом 2, происходил его ряде экспериментов в катодной области магнитное поле Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Определение удельной ионной эрозии катода вакуумной дуги на основе измерения полного... дуговом разряде, постоянна для каждого материала.

Кроме того, различная степень крутизны характеристик извлечения ионов указывает на очевидные отличия ионно-эмиссионной способности катодной плазмы разных материалов. Очевидное несовпадение долей ионного тока i может определяться физическими свойствами модельного материала катода. В качестве параметра, характеризующего твердотельные физические свойства, по которому можно систематизировать данные о максимальном ионном токе, может выступать энергия связи атомов материала катода Ece, подобно полученному ранее полуэмпирическому „закону энергии связи“ [8] для напряжения горения вакуумной дуги.

Рис. 2. Типичные осциллограммы импульсов тока вакуумного Значения нормированного ионного тока i и энергии дугового разряда и ионных токов коллектора (с учетом просвязи Ece для ряда материалов, расположенных вдоль зрачности анодной сетки 0.72%). Ток ионов: 1 — углерода, оси абсцисс в порядке возрастания их атомной массы, 2 —меди.

представлены на рис. 4. Из анализа представленных зависимостей следует, что из плазмы металла, обладающего большей энергией, необходимой для осуществления перехода атома данного вещества из твердого состояния индукцией до 1 Т создавалось магнитной катушкой при пропускании через нее импульсов тока амплитудой до 1 kA и длительностью 1 ms от отдельного источника питания. Для измерения параметров разрядов и ионного тока коллектора использовались пояса Роговского и высокоомные делители напряжения. Сигналы импульсов тока инициирующего и вакуумного дугового разрядов, а также ионного тока в цепи коллектора, регистрировались при помощи цифрового осциллографа Tektronix TDS 224. Анализ результатов исследований производился на основе усреднения многократных измерений. Осциллограммы ионного тока (рис. 2) повторяют форму разрядного тока, что косвенно свидетельствует о корректности измерений. Временной сдвиг импульсов ионного тока Ii относительно импульсов тока дуги Id обусловлен временем пролета ионов из катодной области к коллектору [2]. Согласно проведенным оценкам, относительная погрешность измерения амплитуды Рис. 3. Эмиссионные характеристики, полученные с использоионного тока составляла не более 15% независимо ванием различных материалов катода: 1 —графит, 2 — свинец, от высокочастотных флуктуаций параметров разрядной 3 —медь, 4 —титан, 5 —вольфрам.

плазмы, определяемых хаотическими процессами функционирования катодных пятен.

Измерение полного ионного тока В качестве модельных материалов для исследования были выбраны 14 металлов с различными физическими свойствами: Mg, Al, Ti, Co, Cu, Y, Mo, Cd, Sm, Ta, W, Pt, Pb, Bi, а также графит. Определение i производилось по методу регистрации полного потока ионов из разрядной плазмы для указанных материалов катодов с использованием диагностической разрядной системы (рис. 1). Экспериментально измеренные зависимости ионного тока от величины тока разряда для некоторых материалов катодов приведены на рис. 3. Линейный характер зависимостей свидетельствует о том, что доля Рис. 4. Зависимость нормированного ионного тока i и ионов, переносящих заряд в сторону анода в вакуумном энергии связи атомов Ece от атомной массы материала катода.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 60 А. Андерс, Е.М. Окс, Г.Ю. Юшков, К.П. Савкин, Я. Браун, А.Г. Николаев Таблица 1. Результаты определения полного ионного тока i производится независимо от эрозии катодного материаи удельной ионной эрозии i ла в виде микрокапель. И, кроме того, значения средних зарядностей ионов, необходимых для вычисления удельЭксперименталь- Kimblin C. Месяц Г.А. Daalder J.

ной ионной эрозии, измерялись в идентичных условиях Материал ные результаты [3] [5] [4] функционирования вакуумного дугового разряда [2].

катода i, i i, i, % 10-9 kg/C % 10-9 kg/C Влияние магнитного поля на полный C 19 23.8 10 16-17 ионный ток Mg 12.7 18.8 - 25 Al 11.2 15.9 - 25 Одним из эффективных методов повышения доли Ti 9.7 22.4 8 - ионного тока, отбираемого из плазмы вакуумной дуги, Co 9.6 30.4 8 - является создание магнитного поля в катодной обCu 11.4 33.4 - 35-40 ласти разряда. Относительно слабые магнитные поля Y 5.5 21 - - ( 10 mT) приводят к фокусировке плазменного потока, Mo 3.8 11.6 - 47 Cd 12 94.6 8 130 79.1 дальнейшее увеличение магнитного поля ведет к увеSm 6.5 46.1 - - личению зарядности ионов [9]. Оба явления сопровоTa 5.3 31.2 - - ждаются увеличением извлекаемого ионного тока, и в W 5 27.1 7 62 связи с этим возникает вопрос о возможном увеличении Pt 5.6 50.6 - - расхода катодного материала в виде ионов. Однако Pb 14.3 172.8 - - 120.одновременное влияние двух факторов (фокусировки Bi 10.2 171.5 - - плазменного потока и увеличения зарядности ионов) не позволяло ранее однозначно определить степень влияния магнитного поля на ионную эрозию катода.

в паровую фазу, извлекается меньшее количество ионов В условиях настоящего эксперимента электроды разрядпри заданном токе вакуумной дуги. Так, например, ной системы и каркас магнитной катушки не создавали для вольфрама энергия связи составляет 8.99 eV/at при геометрической „тени“ для ионного потока, тем самым нормированном ионном токе 5%, в то время как доля исключалось влияние фокусировки плазменного факела ионного тока из плазмы вакуумной дуги со свинцовым при малых значениях магнитного поля на извлекаемый катодом составляет 14.3% при энергии связи для свинца ионный ток. При достижении индукции магнитного поля Ece = 2.03 eV/at.

в катодной области разряда 0.45-0.5 T, доля ионного тока i достигала максимального значения при использовании всех материалов катода, что означало выход Определение удельной ионной эрозии эффекта влияния магнитного поля на увеличение зарядности в насыщение [9]. Вместе с тем максимальные Определение значений i с учетом геометрической значения отношения долей ионного тока в присутствии и прозрачности анодной сетки при измеренном зав отсутствие магнитного поля практически совпадают со рядовом составе позволило определить коэффициенты значениями отношений средних зарядностей ионов при удельной ионной эрозии i, характеризующие расход тех же условиях (в табл. 2 представлено их сопоставлематериала катода в виде ионов без учета переноса массы ние для некоторых материалов). Заслуживает внимания в виде нейтральных микрокапель:

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.