WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 10 Краткие сообщения 04 Инициирование разряда в плазменном источнике электронов с полым катодом © И.С. Жирков, В.А. Бурдовицин, Е.М. Окс, И.В. Осипов Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050 Томск, Россия e-mail: burdov@fet.tusur.ru (Поступило в Редакцию 21 ноября 2005 г.) Представлены результаты экспериментального исследования инициирования разряда с полым катодом в плазменном источнике электронов. Инициирование осуществлялось за счет потока ионов из ускоряющего промежутка в разрядную область. Источником ионного потока был высоковольтный тлеющий разряд, возникающий в ускоряющем промежутке при давлении более 2 Pa и напряжении не менее 2 kV. Показано, что увеличение коэффициента ионно-электронной эмиссии катода, достигаемой выбором пары газ-металл, снижает минимальное пороговое значение ионного тока, необходимое для зажигания разряда при фиксированном разрядном напряжении.

PACS: 52.50.Dg Разряд с полым катодом широко применяется в ка- вызывающего зажигание разряда, от материала катода, честве генератора плазмы в источниках электронов [1]. давления и рода рабочего газа.

Одна из проблем, возникающих при работе с источниками, состоит в обеспечении надежного инициирования Техника эксперимента разряда, поскольку напряжение зажигания Ub может существенно превышать напряжение Ud, при котором разСхема экспериментального устройства приведена на ряд устойчиво существует в непрерывном режиме. Даже рис. 1. Электронный источник содержит разрядную при сравнительно высоком давлении газа (1-10 Pa) систему, включающую полый катод 1, анод 2 с эмисвеличина Ub может составлять несколько киловольт, сионным окном 3, перекрытым мелкоструктурной сетв то время как Ud не превышает нескольких сотен вольт. Это вынуждает создавать специальные устройства инициировани разряда (поджига), в качестве которых используются искровые промежутки, накаленные элементы [2], электроды, помещаемые внутрь полости [3].

В устройствах, работающих с непрерывным напуском газа, для инициирования тлеющего разряда с полым катодом используют его комбинацию с другими разрядными системами, например, пеннинговской или магнетронной [4], сообщающимися с катодной полостью через малое отверстие, обеспечивающее перепад давления. Задачей любой системы инициирования является создание дополнительных заряженных частиц и их инжекции в разрядный промежуток.

В так называемых форвакуумных плазменных источниках электронов, функционирующих при давлении газа вплоть до 10-15 Pa [5,6], появляется еще одна возможность инициирования разряда, а именно использование для этих целей ионного потока в разрядную область из ускоряющего промежутка за счет возникающего в нем при таком давлении высоковольтного тлеющего разряда (ВТР). Цель настоящей работы состоит как в измерении характеристик ВТР, так и в определении условий зажигания разряда с полым катодом, исследовании зависимостей пороговых значений ионного тока, Рис. 1. Плазменный источник электронов.

Инициирование разряда в плазменном источнике электронов с полым катодом Рис. 2. Вольт-амперные характеристики ВТР при различном расстоянии d анод-ускоряющий электрод: a —5.5, b — 0.7 cm и давлении p: 1 —4, 2 —5, 3 —6 Pa. Газ —водух.

Рис. 3. Ионный ток Ii на катод в зависимости от ускоряющего напряжения Ue при различном расстоянии d анод-ускоряющий электрод. Параметры те же, что и на рис. 2.

кой, ускоряющий промежуток, образованный анодом 2 Результаты экспериментов и ускоряющим электродом 4, а также коллектор 7.

и обсуждение Фокусировка электронного пучка 5 осуществляется магнитной линзой 6. К разрядному и ускоряющему про- Как показали эксперименты, в условиях функциониромежуткам прикладываются постоянные напряжения Ud вания форвакуумного плазменного источника электрои Ue соответственно. Плазменная эмиссионная граница нов в отсутствие напряжения на разрядном промежутке формируется в эмиссионном окне 3. Ускоряющее напря- при Ue > 2 kV и давлении газа выше 2 Ра в цепи жение снижает или устраняет потенциальный барьер на источника ускоряющего напряжения регистрируется ток границе плазмы, что способствует эмиссии электронов и в несколько миллиампер. Появление такого тока несоформированию пучка. Подробное описание конструкции мненно свидетельствует о возникновении в ускоряющем и работы источника приведено в [6]. В настоящей работе промежутке плазменного источника электронов стациозажигание разряда с полым катодом осуществлялось в нарного ВТР. Об этом же свидетельствует и появление следующей последовательности: сначала на разрядный характерного фиолетового свечения. Как и следовало промежуток подавалось напряжение Ud = 500 V, затем ожидать [2], ток ВТР возрастает как с повышением при плавном повышении Ue происходило зажигание ускоряющего напряжения, так и с увеличением давления разряда. Измерение тока ионов, попадающих в катодную газа и протяженности промежутка (рис. 2). Аналогиным полость из ускоряющего промежутка, производилось образом зависит от ускоряющего напряжения и давления при Ud = 0. газа ток, регистрируемый прибором Id в цепи полого 9 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 130 И.С. Жирков, В.А. Бурдовицин, Е.М. Окс, И.В. Осипов катода и рассматриваемый нами как ионный ток, поступающий в катодную полость (рис. 3). Зависимость этого тока от прозрачности эмиссионного окна (рис. 4), однозначно свидетельствует о том, что он является именно током ионов из ускоряющего промежутка.

При возникновении ВТР в ускоряющем промежутке повышение ускоряющего напряжения и соответственно увеличение тока ионов, проникающих в разрядную область, способствуют зажиганию разряда с полым катодом. Такое влияние иллюстрируется результатами, представленными на рис. 5, когда при увеличении напряжения в ускоряющем промежутке наблюдается скачкообРис. 6. Пороговый ионный ток зажигания разряда для различразное возрастание тока в разрядном промежутке между ных сочетаний газ (1 — воздух, 2 —аргон, 3 —гелий) — полым катодом 1 и анодом 3 (рис. 1), если между ними материал катода (4 — сталь, 5 — алюминий) Ud = 500 V, приложено напряжение от источника питания разряда. p = 3Pa.

Изменение величины ускоряющего напряжения, протяженности ускоряющего промежутка и давления газа показало, что критическим параметром, определяющим тока ионов из ускоряющего промежутка в катодную момент зажигания разряда, является именно величина полость. Вследствие малой ионизационной способности ионов их роль, скорее всего, связана с катодными процессами, а именно с вызываемой ими ионно-электронной эмиссией. Это должно проявляться в зависимости порогового ионного тока зажигания разряда от рода газа и материала катода — параметров, определяющих, как известно [7], коэффициент ионно-электронной эмиссии.

Для проверки этого предположения были проведены эксперименты с различными газами (воздух, аргон, гелий) и материалами катода (нержавеющая сталь, алюминий).

Результаты, представленные на рис. 6, свидетельствуют о том, что для сортов ионов и материалов катода, обеспечивающих больший коэффициент ионно-электронной эмиссии [8] требуется меньший ток ионов из ускоряющего промежутка для зажигания разряда.

Качественное объяснение полученных результатов может быть проведено с помощью простых соображений.

Если выбрать в качестве условия зажигания самостояРис. 4. Ионный ток Ii на катод в зависимости от ускоряющего тельного разряда известное выражение [7] напряжения Ue при различной прозрачности сеток: 1 —6.5;

2 — 16%. Давление 6 Pa.

(ead - 1) =1, (1) где — коэффициент ионно-электронной эмиссии, — коэффициент Таунсенда, d — эффективный путь электрона, то случай, когда при данных Ud и p разряд не зажигается, может быть описан неравенством (ead - 1) < 1. (2) Невозможно зажечь разряд вследствие недостаточного количества ионов, порождаемых одним электроном до момента его выхода из полости и попадания на анод.

Очевидно, что влияние ионов, поступающих в полость извне, может быть учтено введением в (1) дополнительного слагаемого 1(ead - 1) +2Nm = 1, (3) здесь Nm есть минимальное количество дополнительных Рис. 5. Зависимость тока разряда от напряжения на ускоряионов в расчете на один вторичный электрон, при котоющем промежутке (Ud = 500 V, p = 4Pa). Пунктиром показан ионный ток Ii (1) в цепи полого катода при Ud = 0; Id (2). ром (3) имеет место. В силу различных энергий ионов Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Инициирование разряда в плазменном источнике электронов с полым катодом коэффициенты 1 и 2 могут различаться. Выражение (3) указывает на пороговый характер зажигания разряда.

Ясно, что до тех пор, пока количество N поступающих в разряд извне ионов меньше Nm, зажигание разряда невозможно. Влияние материала катода и рода газа учитывается величинами 1 и 2. С увеличением этих коэффициентов зажигание разряда возможно при меньшем Nm, что и наблюдается в эксперименте.

Заключение Таким образом, проведенные эксперименты показали, что в плазменом источнике электронов, функционирующем в области повышенных (форвакуумных) давлений, возможно стабильное инициирование плазмообразующего разряда за счет использования обратного ионного потока из ускоряющего промежутка при возникновении в нем высоковольтного тлеющего разряда.

Соответствующий выбор пары: род плазмообразующего газа — материал катода, обеспечивающий максимальное значение коэффициента ионно-электронной эмиссии с катода, приводит к снижению минимального ионного тока, необходимого для зажигания разряда.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 05-02-98000-р_обь_а и 05-08-01319-а).

Список литературы [1] Окс Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения. Томск: Изд-во НТЛ, 2005. 216 с.

[2] Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новикова А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. М.: Энергоатомиздат, 1989. 256 с.

[3] Гаврилов Н.В., Осипов В.В., Буреев О.А. и др. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. Вып. 3. С. 72–78.

[4] Osipov I., Rempe N. // Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. N 3.

P. 1–4.

[5] Бурдовицин В.А., Бурачевский Ю.А., Окс Е.М. и др. // Изв.

вузов. Физика. 2001. № 9. С. 85–89.

[6] Burdovitsin V., Oks E. // Rev. Sci. Instrum. 1999. Vol. 70. N 7.

P. 2975–2978.

[7] Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника.

М.: Наука, 1966.

[8] Таблицы физических величин. Справочник / Под ред.

И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

9 Журнал технической физики, 2006, том 76, 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.