WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

ток термоэмиссии через ионный ток на катод. Наряду с На рис. 2 показаны два примера зависимостей тока равенством (11) выражение (14) является уравнением, разряда и температуры горячего катода от напряжения, связывающим эти же токи. Решение этой системы двух различающихся соотношением между B и Bcr. Видно, уравнений с двумя неизвестными позволяет однозначно что при B > Bcr ВАХ разряда распадается на две части.

определить как ток термоэмиссии, так и ионный ток на Одна ветвь характеризуется большим током при пони катод.

женном напряжении, а вторая — высоким напряжением, Определив полный ионный ток на катод, можно найти но существенно меньшим током. Но и та и другая ветвь ток -электронов с катодов как J = Jic и после этого f соответствуют высоким температурам катода.

окончательно определить полный ток разряда Проанализируем сначала на устойчивость два стационарных режима горения отражательного разряда в Jtot = Jem +(1 + )Jic. (15) случае B > Bcr. На рис. 3 в более привычном для Таким образом, удается полностью рассчитать ВАХ электрофизики виде сплошными кривыми приведены две разрядной ячейки с известными характеристиками ма- ветви вольт-амперной характеристики (2 на рис. 2).

териала катода. Упрощения модели привели к отсут- Здесь же штриховыми кривыми показаны две возможные ствию концентрации газа во всех уравнениях, поэтому наши расчеты дают не зависящую от давления ВАХ.

Косвенно такая зависимость может появиться, если учесть, например, связь средней энергии образования электрон-ионной пары Ei с реальной кинетикой процесса ионизации.

Результаты расчетов и их обсуждение Два режима сильноточного отражательного разряда с горячим катодом. Анализ решений указанной системы уравнений позволил установить наличие некоторой критической величины магнитной индукции Bcr, определяющей область напряжений, при которых имеются действительные решения для тока разряда. Оказалось, что при B < Bcr решение Рис. 3. К анализу устойчивости режимов горения отрадля тока существует при любых значениях напряжения жательного разряда (вольфрам, h = 2cm, R = 1cm, = 0.1, в термоэмиссионном режиме, тогда как при B > Bcr B = 0.1T).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Расчет параметров сильноточного отражательного разряда с горячим катодом нагрузочные характеристики источника питания разряда с постоянным балластным сопротивлением. Рассмотрим сначала нагрузочную характеристику, проходящую через точки A и C на ВАХ разряда. Нетрудно увидеть, что обе рабочие точки будут соответствовать устойчивым режимам горения разряда. Действительно, если произойдем случайная флуктуация тока разряда, например его увеличение, то напряжение на разряде станет немного ниже, чем это требуется согласно ВАХ. И наоборот, при случайном снижении тока разряда, напряжение от источника подается немного выше, чем это необходимо.

В обоих случаях флуктуация тока будет подавлена, и ток разряда будет устойчиво поддерживаться в точках пересечения нагрузочной кривой и ВАХ. Другая ситуация складывается в случае, если точка пересечеРис. 4. Напряжение горения отражательного разряда с холодния нагрузочной кривой и высоковольтной ветви ВАХ ными катодами при различных радиусах разрядной ячейки R (точка B на рис. 3) будет расположена на участке и коэффициентах (h = 1cm). 1,2 — = 0.05 (R = 1, 3cm с отрицательным дифференциальным сопротивлением соответственно); 3,4 — = 0.1 (R = 1, 3 cm соответственно).

разряда. Аналогичные рассуждения показывают, что в этом случае стационарные состояния на высоковольтной ветви будут абсолютно неустойчивыми: малейшая B-U (рис. 4) область существования с горячим катофлуктуация тока разряда приведет к его погасанию.

дом ограничена „сверху“ кривой B(U), имеющей явно Таким образом, на высоковольтной ветви лишь малой выраженный минимум, соответствующий критической окрестности минимума напряжения горения отвечают величине магнитной индукции Bcr.

устойчивые режимы, тогда как вся низковольтная ветвь является абсолютно устойчивой.

Как видно из приведенной на рис. 2 вольт-амперной Отражательный разряд с холодными характеристики 1, при B < Bcr стационарный разряд с катодами как предельный случай. Причины горячим катодом может гореть в односвязном диапазоне появления „запрещенной“ области легче понять, если напряжений. Такой режим горения разряда оказывается проследить за изменением тока разряда и температуры особенно полезным в тех устройствах, которые предгорячего катода с изменением напряжения горения при назначены для работы в широком диапазоне значений определенной величине магнитной индукции. Особен- тока [4,13]. ВАХ отражательного разряда с горячим каность полученных решений состоит в том, что по мере тодом имеют отрицательное дифференциальное сопроприближени к границе „запрещенной“ области напряже- тивление, что типично для дуговых разрядов. На рис. ний температура катода и ток разряда резко стремятся приведен пример рассчитанный в рамках нашей модели к нулю. Это позволяет интерпретировать границы „за- „анатомии“ сильноточного разряда с горячим катодом:

прещенной“ области как напряжение зажигания разряда радиальное распределение концентрации быстрых элекПеннинга с холодными катодами при данной величине тронов и токов в межэлектродном промежутке.

магнитной индукции.

Зависимость B(U) для отражательного разряда с холодными катодами можно сразу получить в рамках нашей модели из уравнения (11), если в нем положить Jem = 0. На рис. 4 приведены некоторые примеры таких кривых при средней энергии быстрого электрона, требуемой на одну ионизацию (Ei = 40 eV). Положение кривой зависит главным образом от геометрических параметров разрядной ячейки и коэффициента. Очевидно, что эти кривые соответствуют малому току отражательного разряда (слаботочный режим) с холодным катодом, который определяется не только процессами в разряде, но и параметрами внешней цепи и источника питания. Подобные кривые, характеризующие область существования разряда Пеннинга низкого давления, хорошо известны [11,15–18] и в одномерном случае Рис. 5. Радиальные распределения концентрации быстрых аналогичной модели рассчитаны в работе [14].

электронов nf (r) (1), токов медленных Js (r) (2) и быстрых Низковольтный режим отражательного J (r) (3) электронов (Uc = 150 V, h = 4.54 eV (W), = 0.05, f разряда с горячим катодом. На плоскости B = 0.08 T, h = 1cm, R = 0.5cm).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 64 Л.А. Зюлькова, А.В. Козырев, Д.И. Проскуровский может быть получена из закона степени 3/2. В результате получаем ограничение на размер ячейки 1/2e 40 2R2 3/R, h dc Uc 5 · 10-2 cm.

= m 9 I Рассчитаны ВАХ сильноточного отражательного разряда с горячим катодом и соответствующие температуры самонакаливающегося электрода. Определена область существования стационарной формы отражательного разряда в плоскости B-U. Показано, что при достаточно высоких магнитных полях возможно существование двух режимов пеннинговского разряда: сильноточного и высоковольтного. При достаточно низких магнитных полях отражательный разряд может функциоРис. 6. Рассчитанные ВАХ (сплошные кривые) и соответнировать только в термоэмиссионном режиме. Расчетная ствующие им температуры самонакаливающегося электрода модель позволяет оптимизировать конструкцию плаз(штриховые) для отражательного разряда с горячим катодом из различных материалов (h = 1cm, R = 0.5cm, B = 0.08 T); менных источников заряженных и нейтральных частиц 1 — LaB6 (h = 2.8eV), 2 — W (h = 4.5eV), 3 — Re на основе этого типа разряда.

(h = 5.0eV).

В заключение авторы выражают благодарность В. А. Кагадею и Г. Е. Озуру за интересные и полезные дискуссии.

Для иллюстрации возможности понижения напряжения горения разряда на рис. 6 приведены примеры Список литературы вычисленных ВАХ разрядной ячейки с самонакаливающимся катодом с различной работой выхода. Эти расчет[1] Penning F.M. // Physica. 1937. Vol. 4. N 5. P. 71–75.

ные зависимости свидетельствуют о заметном снижении [2] Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников напряжения горения разряда с уменьшением работы ионов. М.: Атомиздат, 1972. 304 с.

выхода термокатода, что ранее наблюдалось эксперимен- [3] Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. М.:

Атомиздат, 1977. 144 с.

тально (см., например, [4]). Снижение напряжения горе[4] Семенов А.П. Пучки распыляющих ионов: получение и ния ниже 100 V обычно приводит к резкому уменьшению применение. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1999. 207 с.

скорости распыления катода, что увеличивает срок его [5] Wolf B. Handbook of Ion Sources. CRC Press. Inc. (USA), службы и существенно уменьшает поток загрязняющих 1995. 545 p.

частиц, вылетающих из плазменного источника.

[6] Рейхрудель Э.М., Смирницкая Г.В., Борисенко А.И. // РиЭ.

Границы применимости модели. Уточним 1956. № 2. С. 253–259.

границы применимости использованной модели разряда [7] Курбатов О.К. // ЖТФ. 1966. Т. 36. Вып. 9. С. 1665–1668.

по давлению газа. Так как плазма столба предполага[8] Jepsen R.L. // J. Appl. Phys. 1961. Vol. 32. N 12. P. 2619– ется слабоионизованной, то концентрация нейтральных 2626.

атомов должна быть много больше концентрации за- [9] Knauer W. // J. Appl. Phys. 1962. Vol. 33. N 6. P. 2093–2099.

ряженных частиц. Оценкой „снизу“ для концентрации [10] Крейндель Ю.Е., Ионов А.С. // ЖТФ. 1964. Т. 34. Вып. 7.

С. 1199–1205.

электронов может служить концентрация электронов [11] Рейхрудель Э.М., Чернетский А.В., Михневич В.В. и др. // вблизи анода. Ее можно оценить из тока разряда I, ЖТФ. 1952. Т. 22. Вып. 12. С. 1945–1965.

площади анода 2hR и средней тепловой скорости [12] Guthrie A., Wakerling R.K. The Characteristics of Electrical электронов в плазме VeT. Оценкой „сверху“ для конDischarges in Magnetic Fields. McGraw-Hill Book Company центрации атомов может служить условие замагниченInc., 1949. 376 p.

ности электронов. Частоту столкновений электронов с [13] Кагадей В.А., Козырев А.В., Осипов И.В. и др. // ЖТФ.

частицами газа ea можно оценить, зная транспортное 2001. Т. 71. Вып. 3. С. 22–28.

сечение столкновений ea и среднюю скорость элек[14] Никулин С.П. // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 7. С. 56–63.

тронов VeT. В результате получим диапазон концентра[15] Зюлькова Л.А., Козырев А.В., Проскуровский Д.И. // ций атомов газа, в котором применимы наши расчеПисьма в ЖТФ. 2004. Т. 30. Вып. 16. С. 19–25.

ты 2I/hReVet na eB/meaVeT. Если возьмем для [16] Рейхрудель Э.М., Шеретов Э.П. // ЖТФ. 1965. Т. 35.

Вып. 7. С. 1255–1261.

численной оценки области применимости параметры [17] Рейхрудель Э.М., Смирницкая Г.В., Егиазарян Г.А. // разряда такие же, как указаны на рис. 5, то получим ЖТФ. 1965. Т. 35. Вып. 1. С. 130–135.

4 · 1011 na 2 · 1017 cm-3.

[18] Окс Е.М., Чагин А.А., Щанин П.М. // Докл. I Всесоюз. соКроме того, необходимо, чтобы толщина приэлеквещания по плазменной эмиссионной электронике. Улантродных слоев была много меньше размеров разрядной Удэ, 1991. С. 18–23.

ячейки. Для прикатодного слоя оценка его толщины dc Журнал технической физики, 2005, том 75, вып.

Pages:     | 1 ||



© 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.