WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 9 04;05;09;11;12 Процессы разрушения поверхности электрода в плазме высокочастотного разряда © Г.П. Строкань Научно-исследовательский институт физики при Ростовском государственном университете, 344104 Ростов-на-Дону, Россия e-mail: int@ip.rsu.ru (Поступило в Редакцию 9 января 2001 г.) Исследованы процессы разрушения поверхности электродов различных материалов в плазме высокочастотного разряда, используемого для накачки ионных лазеров на частоте 10 MHz. Обнаружено, что разрушение электрода происходит за счет блистеринга, изучены закономерности этого явления в типичных условиях работы газоразрядной трубки от температуры, материала электрода и рода газа. В рамках геометрической оптики проведена количественная оценка концентрации в разряде пылеобразных частиц — продуктов блистеринга. Даны рекомендации борьбы с блистерингом в разряде с такими условиями.

Введение зарождения сгустков частиц, а также их последующую локализацию. Используемая методика исследования пыНа характеристики лазерного излучения существенлеобразования за счет высокой интенсивности излучения ным образом влияет состояние поверхности электрода, позволяла наблюдать выбросы отдельных частиц разтак как в лазерах с поперечным высокочастотным размером 10-30 µm. Недостатком такой методики исслерядом (ПВЧР) накачка рабочих уровней происходит за дования было то, что с ростом концентрации частиц счет процессов в приэлектродной области [1–5]. Кроме мощность генерации уменьшалась и при достижении того, во время работы лазера поверхность электрода некоторой пороговой концентрации падала до нуля.

подвергается интенсивному ионному облучению с энерВо втором случае (рис. 1, b) исследуемая трубка погией ионов, сравнимой или равной энергии прикатодного мещалась вне резонатора и просвечивалась излучением ускорения, что приводит к изменению состояния поверхменьшей интенсивности. При таком способе можно было ности и выделению продуктов материала электрода как в измерять потери в трубке при рассеянии излучения на атомарном, так и фрагментарном виде в рабочий объем пылеобразных частицах до величины 100%. Для наблюгазоразрядной трубки лазера. Все это в конечном счете дения малой величины поглощения порядка 0.2% испольприводит к изменению характеристик газового разрязовалась компенсационная схема измерения. С помощью да [6–10] и, как следствие, к изменению характеристик микроскопа изучалось движение частиц и измерялась генерации лазера.

их величина. Зеркало 7 с селективным отражением исНаряду с довольно известным явлением катодного ключало попадание спонтанного излучения исследуемой распыления [11] в газовом разряде происходит разрушетрубки в фотоприемник. Для исключения влияния собние электрода за счет других процессов, одним из таких ственных флуктуаций гелий-неонового лазера последний процессов является блистеринг, достаточно известный в перед началом измерений прогревался в течении 3–4 h.

технике термоядерных реакторов [12], однако в условиях Исследуемая трубка с внутренним электродом предлазеров с ПВЧР этот процесс не изучен. Целью данной варительно обезгаживалась откачкой до давления поработы является исследование блистеринга в разрядных рядка 10-3 Pa, затем прогревалась до температуры условиях, используемых для накачки ионных лазеров.

300-400C внешним нагревателем или в индукторе, затем вновь откачивалась. Критерием чистоты поверхности электрода являлось совпадение вольт-амперных хаМетодика измерений рактеристик при повторных измерениях. Надо отметить, и экспериментальная установка что нагрев электрода в отсутствие разряда не приводит к разрушению его поверхности, как при блистеринге.

Для наблюдения макроскопических частиц, возникаюВ работе использовались электроды из металла щих в разрядной трубке, и исследования их влияния на параметры генерации использовалась эксперименталь- (из Ст3, нержавеющей стали, никелевые, алюминиевые), ная установка, показанная на рис. 1. В первом случае с нитридными покрытиями (нитрид титана и нитрид хроисследуемая трубка помещалась в один резонатор с труб- ма) и диэлектрика (кварцевые и керамические). Толщина кой гелий-неонового лазера ЛГ-75 (рис. 1, a). Резонатор покрытия нитридными соединениями рабочей поверхносостоял из плотных зеркал с коэффициентом отражения сти электрода была порядка 20 µm. Высокочастотный 99.9%. Таким образом, за счет большой интенсивно- генератор обеспечивал выходную мощность на согласости внутри резонатора можно было наблюдать места ванной нагрузке до 1 kW при частоте от 1 до 20 MHz.

Процессы разрушения поверхности электрода в плазме высокочастотного разряда Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для наблюдения продуктов блистеринга. Исследуемая трубка находится в резонаторе (a) и вне его (b). 1 — лазер ЛГ-75, 2 — исследуемая трубка, 3 — зеркала резонатора, 4 — поворотная пластина, 5 — измеритель мощности излучения, 6 —микроскоп, 7 — селективное зеркало, 8 — источник компенсационного сигнала.

Основные результаты и их обсуждение зования. Нагрев электрода осуществлялся как внешним нагревателем, так и за счет индукционного нагрева до При проведении исследований блистеринга в испольтемпературы порядка 600C.

зуемых разрядных трубках учитывались зависимости Полученные результаты объясняются свойствами блиэтого явления от температуры, рода газа и материала стеринга, отмеченными в работах [12,13].

электрода. Полученные результаты сводятся к следую1. При использовании различных газов наиболее инщему.

тенсивное образование блистеров должно наблюдаться 1. Макроскопические частицы возникают как в разряде для разряда в чистом гелии, так как гелий не связывагелия, так и в смеси гелий–кадмий, причем в разряде ется с материалом электрода и, попадая в имеющиеся гелия концентрация этих частиц выше. В разряде друпустоты, вызывает блистеринг.

гих газов (воздух, криптон) макроскопические частицы 2. Факты, полученные при исследовании электродов из практически не образуются.

различных материалов, объясняются следующим обра2. Из всех рассмотренных электродов при температуре зом. Атомы гелия, попадая вовнутрь электрода, скапли300C наибольшее выделение макроскопических частиц ваются в пустотах, создавая в них большое давление.

наблюдается в разряде с электродами из нержавеющей В результате этого происходит вспучивание — блистер, стали и никеля. В разряде с алюминиевыми электроа затем и разрушение электрода. В случае пористой дами и электродами, имеющими нитридное покрытие, поверхности атомы гелия по порам выходят на поверхвыделение частиц незначительно. В случае кварцевого ность, не разрушая электрод. Наиболее наглядно это и керамического электродов макроскопические частицы проявляется в случае электрода из кварца, который практически не появляются.

имеет высокую проницаемость для гелия 7·10-3 Pa·l/cm3. Температурная зависимость выделения макроскопипри температуре 300C [14], в то же время, согласно ческих частиц изучалась в разряде гелия с электродами правилу Нортона, металлы непроницаемы ни для одного из нержавеющей стали. При невысоких температурах из инертных газов, что должно приводить к блистерингу.

(T < 150C) не происходило заметного пылеобразоваЗначительно меньшее выделение микрочастиц в разряде ния. При температуре T = 280C происходит интенсивс алюминиевыми электродами объясняется наличием ное выделение макроскопических частиц с последующим окисной пленки, толщина которой превышает глубину оседанием их на стенках разрядной трубки. Дальнейший рост температуры электрода приводил к снижению пы- внедрения атома гелия. Кроме того, рабочая температура, при которой происходило исследование алюминиелеобразования, и при температуре T = 700Cвыделение макроскопических частиц минимально. вого электрода, составляла 0.7 · T1 (T1 — температура Следует отметить, что, нагревая электроды в отсут- плавления), а при температуре 0.5-0.6 · T1 и более ствие разряда, не удалось получить заметного пылеобра- блистеринг маловероятен [12]. Аналогичные результаты 8 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 114 Г.П. Строкань тате бомбардировки ионами гелия образуются блистеры малых диаметров, т. е. отшелушевание сменяется блистерингом. В эксперименте это проявляется в существенном уменьшении пылеобразования в разрядном объеме.

Исследование поглощения излучения в лазерных трубках с электродами, имеющими нитридное покрытие Выше было показано, что в разряде с электродами, имеющими нитридное покрытие, выделение пылеобразных макроскопических частиц незначительно. Однако эта качественная характеристика не определяет уровень поглощения излучения в лазерных трубках с такими электродами. В то же время в конкретных лазерных трубках для получения максимальной мощности генерации необходимо знать уровень потерь, например, при выборе материалов электродов. В связи с этим представляют интерес более детальное изучение пылеобразования в лазерной трубке и связанного с ним поглощения излучения, а также определение концентрации частиц блистеринга.

Измерительная установка показана на рис. 1, b. Исследования проводились в трубке асимметричной конструкции с внутренним электродом длиной 0.5 m. Рабочий канал выполнен в виде щели 3 2.5 mm. Внутренняя поверхность рабочего канала имела покрытие из нитрида титана.

Рис. 2. Поверхность электрода из нержавеющей стали в слуПосле продолжительного прогрева и обезгаживания чае отшелушевания (a) и в случае блистеринга (b). Масштаб исследуемой трубки поглощение излучения составляет 100 µm.

K 25% и на протяжении длительного времени остается постоянным (рис. 3). В этом случае в объеме разрядной трубки не было пылеобразных сгустков, характерных при получены для электродов с покрытием из нитрида титана работе с электродом из нержавеющей стали. Незначипри толщине покрытия порядка 20 µm.

тельное поглощение в этом случае может быть объясне3. Закономерности появления макроскопических часно небольшим выделением макроскопических частиц с тиц от температуры совпадают с закономерностями, поверхности электрода.

полученными в работах [12,13] для термоядерных реакторов. Приведенные выше зависимости блистеринга от температуры хорошо совпадают с наблюдаемым возникновением макроскопических частиц в разряде гелия с электродами из нержавеющей стали. При температуре, меньшей 150C, на поверхности электрода под действием потока ионов гелия образуются блистеры малых (порядка единиц микрометров) диаметров. При отрыве крышек блистеров малых диаметров не происходит заметного пылеобразования в силу того, что интенсивность разрушения поверхности при этой температуре значительно меньше (на один–два порядка), чем при отшелушевании [13]. При температуре T = 0.3 · Tблистеринг сменяется отшелушеванием. При этом возрастает скорость эрозии и размеры частиц. На рис. 2 приведена поверхность электрода из нержавеющей стали в Рис. 3. Зависимость коэффициента поглощения излучения случае блистеринга и отшелушевания. При температуре от времени в трубках с электродом, имеющим нитридное электрода порядка 700C на его поверхности в резуль- покрытие. Температура электрода 300C.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Процессы разрушения поверхности электрода в плазме высокочастотного разряда микрометров. В отличие от электродов из нержавеющей стали алюминиевые электроды и электроды с нитридными покрытиями в условиях работы гелий-кадмиевого лазера не подвержены отшелушеванию, что проявляется в незначительном пылеобразовании.

В целях уменьшения влияния продуктов блистеринга на характеристики лазеров рекомендуется использовать электроды с нитридными покрытиями или из материала, температура плавления которого составляет не более 1.5 T рабочей.

Список литературы [1] Латуш Е.Л., Михалевский В.С., Сэм М.Ф. идр. // Письма в ЖЭТФ. 1976. Т. 24. Вып. 2. С. 81–83.

Рис. 4. Поверхность электрода, имеющего нитридное покры- [2] Александров С.В., Елагин В.В., Фотиади А.Э.// Письма тие после десятичасовой работы в ПВЧР и при температуре в ЖЭТФ. 1980. Т. 6. Вып. 3. С. 160–161.

300C. Масштаб 10 µm.

[3] Дятлов М.Г., Касьян В.Г., Левин В.Г. // Письма в ЖТФ.

1977. Т. 3. Вып. 13. С. 644–646.

[4] Корольков А.Н., Руделев С.А., Степанов В.А. // Электронная техника. Сер 4. Электровакуумные и газоразрядные Уменьшение интенсивности прошедшего света из-за приборы. 1977. Вып. 9 (60). С. 12–17.

потерь, вызываемых наличием частиц в разряде, можно [5] Кузовников А.А., Савинов В.П., Якунин В.Г. // Вестник оценить в приближении геометрической оптики МГУ. Сер. 3. Физика и астрономия. 1980. Т. 21. Вып. 4.

С. 75–77.

ln(J0/J) [6] Savranskii V.V., Strokan’ G.P. // JRLREO. 1994. Vol. 15. N 1.

rbn =, l P. 81–82.

[7] Михалевский В.С., Строкань Г.П., Сэм М.Ф. и др. // где n — средняя концентрация частиц в разряде; rb — Квантовая электрон. 1989. Т. 16. № 1. С. 37–42.

диаметр частиц, l — длина исследуемой трубки; J0, J — [8] Строкань Г.П., Толмачев Г.Н. // Автометрия. 1984. № 1.

интенсивность на входе и выходе трубки; — параметр С. 61–63.

ослабления.

[9] Бородин А.В., Кравченко В.Ф., Строкань Г.П. // ЖТФ.

При диаметре частиц 3 µm, что соответствует ти1996. № 8. С. 44–49.

пичному диаметру частиц на рис. 4, а также величине [10] Strokan’ G.P., Tolmachev G.N. // TQE-85. Bucharest, 1985.

визуального измерения частиц с помощью микроскопа Vol. I. C. 3. 10. P. 89–90.

= 2 [15], и с учетом используемой методики можно [11] Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, получить 1968. 343 с.

[12] Гусева М.И., Мартыненко Ю.В. // УФН. 1981. Т. 135.

n = 3.14 · 104 ln.

Вып. 4. С. 671–691.

100 - K [13] Wilson K.L. // J. Plasma Phus. and Thermonuclear Fusion.

В этом случае концентрация частиц составляет Specialissue. 1984. P. 85–94.

104 cm-3.

[14] Технология тонких пленок. Справочник / Под ред.

Такие оценки позволяют проводить сравнение элекЛ. Майссела. М.: Сов. радио, 1977. Т. 1. 664 с.

тродов из различных материалов с целью минимизации [15] Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучепотерь излучения в конструкции разрядной трубки лазе- ния полидисперсионными частицами. М.: Мир, 1971.

165 с.

ра с ПВЧР, а также снижения уровня шумов излучения в низкочастотной области спектра.




© 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.