WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 10 04;10 Влияние ионной эмиссии на характеристики тлеющего разряда с полым катодом © С.П. Никулин Институт электрофизики УрО РАН, 620049 Екатеринбург, Россия E-mail: nikulin@ief.uran.ru (Поступило в Редакцию 20 декабря 1999 г.) Исследуется влияние отбора ионного тока на условия поддержания тлеющего разряда низкого давления с полым катодом, что является актуальной задачей при разработке ионных источников. Показано, что существует некоторый оптимальный уровень ионной эмиссии, при котором энергетическая эффективность достигает максимального значения.

Интерес к изучению характеристик тлеющих разрядов получившие высокую энергию при прохождении области низкого давления обусловлен в основном возможностью катодного падения, в которой сосредоточено практичеих применения при разработке источников пучков заря- ски все разрядное напряжение U. Вследствие резкого женных частиц. Ионные источники на основе газоразряд- уменьшения при высоких энергиях сечения кулоновсконых систем с холодными катодами, в частности на основе го взаимодействия, основным для быстрых электронов тлеющего разряда с полым катодом (ТРПК), обладают является взаимодействие с нейтральными атомами [4,5] существенно более высоким ресурсом и надежностью и для функции распределения быстрых электронов по по сравнению с термокатодными системами в характер- энергии f () можно записать следующее уравнение:

ных для промышленных установок условиях технического вакуума. Кроме того, при работе в импульсном Ii 2 (1 - ) ( - 0) - N() f () или импульсно-периодическом режиме использование e m систем с холодными катодами является энергетически более эффективным вследствие отсутствия необходимо- 2( + ) + N( +, ) f ( + )d сти в поддержании постоянного тока накала [1]. В то же m время при работе в непрерывном режиме энергетическая f ()Sa 2 эффективность ионных источников на основе тлеющих - = 0, (1) разрядов существенно ниже по сравнению с источни- 4V m ками на основе дуговых разрядов с термокатодом. Это где Ii — полный ионный ток в разряде; — доля ионного связано с тем, что коэффициент потенциальной ионтока, отбираемая в пучок; (I - )Ii — ионный ток на электронной эмиссии мал и соответственно велико накатод; — коэффициент ион-электронной эмиссии; e — пряжение горения разряда. Однако в отличие от дуговых элементарный заряд; 0 = eU — энергия, приобретаемая разрядов, где доля ионного тока в токе разряда невелика, электроном в катодном падении; — дельта-функция Див тлеющем разряде ток на катоде практически полнорака; N — концентрация нейтральных атомов в катодной стью обеспечивается ионами. Это создает возможность полости; m — масса электрона; () — полное сечение повышения энергетической эффективности источника за столкновения электрона с атомом; (, ) — сечение, счет увеличения доли отбираемого ионного тока при характеризующее потерю при столкновении энергии увеличении суммарной площади эмиссионных отверстий при энергии налетающего электрона ; Sa — площадь в катоде, но такое увеличение ионной эмиссии может анода; V —объем полости.

затруднить поддержание разряда, так как частицы, отбиПервый член в (1) описывает образование новых раемые в пучок, естественно не попадают на катод и не быстрых частиц в результате ион-электронной эмиссии участвуют в -процессах на его поверхности. В связи на катоде. Второй и третий характеризуют соответс этим актуальным представляется изучение влияния отбора ионов на характеристики ТРПК и определение ственно исчезновение и появление электронов в малом некоторого оптимального уровня ионной эмиссии, при интервале энергий вблизи в результате столкновений котором, с одной стороны, обеспечивается достаточно (интегрирование в третьем члене ведется по всем возвысокое значение эмиссионного тока, но при этом не можным ). Последний член учитывает уход быстрых возникает существенных трудностей с поддержанием электронов из разряда на анод в соответствии с известразряда. ным из молекулярно-кинетической теории выражением Общепризнанной является точка зрения [2–4], что в для числа ударов частиц об стенку. При его написании ТРПК основной вклад в процесс ионизации вносят так считалось, что быстрые частицы равномерно распреденазываемые быстрые электроны, возникшие на катоде и лены по объему полости.

Влияние ионной эмиссии на характеристики тлеющего разряда с полым катодом Учитывая, что энергия, теряемая в одном столкно- которая при энергиях, превышающих порог ионизации, вении, существенно меньше, чем энергия, приобретае- в основном определяется неупругими столкновениями, мая в катодном падении, можно упростить (1), исполь- то для нее использовалось выражение, полученное в зуя фоккер-планковское приближение. Разлагая подын- классической томсоновской модели, тегральное выражение в ряд и меняя порядок дифференZeцирования и интегрирования, получим после некоторых Q() = ln, (8) преобразований где Z — число электронов на внешней оболочке; 1 — Ii энергия возбуждения первого уровня, которое согласует(1 - ) ( - 0) + NQ() f () e m ся с результатами квантово-механических расчетов для быстрых электронов [7].

Как видно из рисунка, при давлениях ниже некоторого f ()Sa - = 0, (2) критического поддержание разряда невозможно ни при 4V m каком напряжении, а при давлениях выше критического где Q() — так называемая тормозная способность, полученные зависимости являются двузначными. Анаопределяемая следующим соотношением:

логичные результаты были получены ранее для зависимости напряжения горения от магнитной индукции при разряде с осцилляцией электронов в магнитном Q() = (, )d. (3) поле [5]. Устойчивыми и реализуемыми в эксперименте являются состояния, соответствующие нижним ветвям Уравнение (2) решается аналитически и для функции приведенных зависимостей.

распределения быстрых электронов по энергии получаем С увеличением эмиссии и соответственно с уменьследующее выражение:

шением параметра нижняя граница рабочего диапа зона давлений постепенно возрастает. Это накладывает (1 - )Ii m - Sa d f () = exp. (4) определенные ограничения на возможность увеличения eNQ() 2 4NV Q( ) эффективности извлечения в ионных источниках, так как с повышением давления может произойти нарушение В то же время ионный ток связан с функцией распреэлектропрочности ускоряющего промежутка. Однако даделения быстрых электронов следующим образом:

же если этого не случится, происходящее с уменьшением повышение уровня напряжения может сделать нецеле сообразным чрезмерное увеличение доли отбираемого Ii = e N i() f ()d, (5) ионного тока вследствие уменьшения энергетической m i эффективности источника где i и i — пороговая энергия и сечение ионизации Ib e = =, (9) соответственно.

W U Комбинируя (4) и (5), можно получить условие сагде Ib — ток ионного пучка; W IiU — мощность, мостоятельности разряда в режиме ионной эмиссии в затрачиваемая на поддержание разряда.

следующем виде:

0 i() - Sa d (1 - ) exp d = 1. (6) Q() 4NV Q( ) i Выражение (6) дает в неявном виде зависимость напряжения горения разряда от концентрации нейтрального газа или от давления P = NkT, k — постоянная Больцмана, T — температура газа.

На рис. 1 представлены рассчитанные зависимости напряжения горения от обезразмеренного давления PV 0 NV p = =, (7) kT Sa Sa где 0 = a2 — площадь боровской орбиты, a0 — боровский радиус, для различных значений параметра = (1 - ).

При проведении расчетов рабочим газом считался аргон и использовались рекомендованные в [6] данные о се- Рис. 1. Зависимости напряжения горения разряда от давления чении ионизации. Что касается тормозной способности, = 0.06 (1), 0.08 (2), 0.1 (3).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 124 С.П. Никулин это обычно принято, в A/kW), Cg — стоимость одного кубического сантиметра рабочего газа при атмосферном давлении.

При известных ценах на электроэнергию и рабочий газ, а также при известной связи между давлением в газоразрядной камере и напуском газа для различных значений (т. е. практически для различных значений суммарной площади эмиссионных отверстий) анализ записанного выражения на минимум не представляет особых затруднений и вполне может быть проведен для любой конкретной технологической установки.

Список литературы Рис. 2. Зависимости энергетической эффективности ионного [1] Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантуисточника от относительной величины отбираемого ионного рин Л.П. Плазменные процессы в технологических электока. p = 5 (1), 10 (2), 15 (3).

тронных пушках. М.: Энергоатомиздат, 1989. 256 с.

[2] Кириченко В.И., Ткаченко В.М., Тютюнник В.Б. // ЖТФ.

1976. Т. 46. Вып. 9. С. 1857–1867.

На рис. 2 приведены зависимости e() для несколь- [3] Метель А.С. // ЖТФ. 1984. Т. 54. Вып. 2. С. 241–247.

[4] Каган Ю.М., Лягущенко Р.И., Тароян А.С., Хворостовких значений давления. Как видно, все кривые имеют ский С.Н. // ЖТФ. 1973. Т. 43. Вып. 7. С. 1488–1495.

один и тот же качественный характер: начальный рост [5] Никулин С.П. // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 7. С. 56–63.

постепенно замедляется, кривые достигают в некоторой [6] Lennon M.A., Bell K.L., Gilbody H.V. et al. // J. Phys. Chem.

точке максимума, а затем энергетическая эффективность Ref. Data. 1988. Vol. 17. P. 1285.

уменьшается. Таким образом, существует некоторый [7] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. Вып. 1.

оптимальный, зависящий от давления уровень отбираМ.; Л.: ГИТТЛ, 1948.

емой доли ионного тока, при котором энергетическая эффективность достигает максимального значения.

При более высоких давлениях, как видно из рисунка, возможно достижение более высокой энергетической эффективности. Поэтому для увеличения e следует повышать напуск газа в источник по крайней мере до тех пор, пока сохраняется электрическая прочность промежутка либо пока напуск газа G, измеряемый обычно в cm3at/h, не превысит некоторого предельного значения, определяемого особенностями того или иного технологического процесса, для осуществления которого используется ионный пучок. Однако повышение напуска газа приведет к ухудшению другой важной характеристики источника — газовой экономичности Ib g =. (10) G Это может сделать работу источника в режиме с повышенным напуском газа экономически невыгодной, несмотря на высокую энергетическую эффективность.

Поиск экономически наиболее выгодного режима работы источника также может быть проведен на основе разработанной модели. Считая, что основные затраты на обеспечение работы источника связаны с потреблением электроэнергии в его газоразрядной системе и расходом газа, введем величину C, характеризующую стоимость одного ампер-часа работы источника, Ce Cg C = +, (11) e g где Ce — стоимость одного киловатт-часа электроэнергии (здесь имеется в виду, что энергетическая эффективность в приведенном соотношении измеряется, как Журнал технической физики, 2000, том 70, вып.




© 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.