WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 7 Краткие сообщения 04;10;12 Об электрической прочности ускоряющего промежутка плазменного источника электронов в форвакуумном диапазоне давлений © В.А. Бурдовицин, М.Н. Куземченко, Е.М. Окс Томский государственный университет систем управлений и радиоэлектроники, 634050 Томск Россия e-mail: burdov@fet.tusur.ru (Поступило в Редакцию 14 августа 2001 г. В окончательной редакции 10 ноября 2001 г.) Представлены результаты определения условий потери электрической прочности ускоряющим промежутком плазменного источника электронов. Установлено, что в зависимости от размера отверстий в эмиссионном электроде и давления газа могут реализоваться два типа пробоя. Один из них возникает как результат зажигания низковольтного разряда между электродами ускоряющей системы. Другой тип обусловлен переключением основного разряда с анода на ускоряющий электрод.

Формирование эмитирующей среды в плазменных этого случая резкое возрастание тока регистрируется источниках электронов (ПИЭЛ) [1] требует или спе- только в цепи высоковольтного выпрямителя. Пробой циального напуска рабочего газа (системы на основе второго типа реализуется между разрядной плазмой и разрядов низкого давления [2]), или использования в ускоряющим электродом. При этом ток пробоя протекакачестве плазмообразующей среды паровой фазы матеет по цепи ускоряющий электрод–плазма–полый катод и риала катода (вакуумно-дуговые источники [3]). В обоих регистрируется как в цепи высоковольтного выпрямитеслучаях это обусловливает повышенное давление газа ля, так и в цепи блока питания разряда. Пробою второго в ускоряющем промежутке, а следовательно, и снижетипа, обозначаемому далее как „плазменный“ пробой, ние его электрической прочности. Проблема становитпредшествует появление низкочастотных (0.1–10 kHz) ся особенно актуальной для электронных источников, шумов разрядного тока.

предназначенных для работы в форвакуумном диапазоне Тип пробоя, который реализуется в конкретной ситуадавлений [4,5]. Целью настоящей работы становилось ции, определяется главным образом размером h эмиссиопределение условий и причин потери электрической онных отверстий ПИЭЛ и давлением газа в ускоряющем прочности ускоряющим промежутком ПИЭЛ в области промежутке. Относительно малый размер отверстий и повышенных давлений газа.

В экспериментах использовался источник электронов на основе разряда с полым катодом и плоскопараллельной ускоряющей системой (рис. 1), подробно описанный в [5]. В настоящей работе для обеспечения визуальных наблюдений высоковольтный изолятор источника изготавливался из оргстекла. Провоцирование электрического пробоя промежутка осуществлялось либо подъемом ускоряющего напряжения, либо увеличением разрядного тока. При этом в качестве параметров были выбраны давление газа и геометрия электродов.

Момент пробоя фиксировался по резкому возрастанию тока Ie в цепи высоковольтного выпрямителя, подключенного к ускоряющему промежутку, а также по появлению яркого свечения между электродами ускоряющей системы. Полученные зависимости представляют собой результат статистической обработки многократных измерений.

Проведенные наблюдения позволили установить существование двух разновидностей пробоя ускоряющего промежутка. Пробой первого типа, который условно наРис. 1. Схема источника электронов: 1 — полый казовем „межэлектродный“, реализуется между внешней тод, 2 —анод, 3 — сетка или пластина с отверстиями, поверхностью анода и ускоряющим электродом. Для 4 — экстрактор, 5 — изолятор.

Об электрической прочности ускоряющего промежутка плазменного источника электронов... электронный пучок способствует пробою ускоряющего промежутка. В то же время при исследовании межэлектродного пробоя было замечено, что при превышении эмиссионным током некоторого порогового значения имеет место увеличение пробивного напряжения Uem, отмеченное впервые в [4].

Пробой второго типа удавалось наблюдать при увеличении разрядного тока и сохранении заданного напряжения на ускоряющем промежутке. На рис. 3 представлены зависимости предельного разрядного тока Idm от ускоряющего напряжения Ue. Как следует из представленных результатов, характер зависимостей противоположен тем, которые имели место для пробоя первого типа.

Увеличение прозрачности анодного электрода путем увеличения числа отверстий сдвигало ток Idm в сторону Рис. 2. Зависимость максимального ускоряющего напряжебольших значений. Проведенные эксперименты свидения Um от эмиссионного тока Ie. p = 10 (1), 9 Pa (2).

тельствуют в пользу того, что фактором, определяющим наступление пробоя в этом случае, является именно разрядный, а не эмиссионный ток.

Различие в условиях наблюдения и характере проявления двух типов пробоя свидетельствует о различии их физических механизмов. При анализе межэлектродного пробоя следует иметь в виду, что в отсутствие эмиссии, т. е. при токе разряда Id = 0, подача ускоряющего напряжения приводит к зажиганию в ускоряющем промежутке хорошо известного высоковольтного тлеющего разряда с токами в единицы миллиампер. В действительности электрический пробой представляет собою переход от высоковольтной формы разряда к низковольтной. Причина такого перехода кроется в появлении дополнительного ионизатора, роль которого в данном случае выполняет электронный пучок.

Полученные результаты по пробою второго типа Рис. 3. Предельный разрядный ток Idm как функция ускомогут быть объяснены на основе модели, изложенной ряющего напряжения Ue. 1, 3 — эксперимент; 2, 4 — расчет;

в [4]. Суть модели составляет положение о том, что p = 14.6 (1, 2); 15.3 Pa (3, 4).

пробой ускоряющего промежутка наступает при проникновении в него плазмы из разрядной области. Условий для такого проникновения два. Первое — уменьшение низкое давление приводят к „межэлектродному“ протолщины прианодного слоя пространственного заряда, бою, тогда как большие отверстия и высокое давление отделяющего разрядную плазму от анода до величины, обусловливают „плазменный“ механизм пробоя.

значительно меньшей размера эмиссионных отверстий.

В наших экспериментах в качестве эмиссионного Второе условие состоит в том, что оцененное из электрода использовалась титановая пластина толщи- закона „степени 3/2“ расстояние плазма–ускоряющий ной 0.5 mm с отверстиями диаметром 0.6 mm. Реали- электрод должно быть меньше протяженности ускозация пробоя первого типа осуществлялась путем уве- ряющего промежутка. При выполнении этих условий личения напряжения на ускоряющем промежутке при происходит переключение разрядного тока с анода на заданном значении эмиссионного тока. Эксперименты, ускоряющий электрод, сопровождающееся резким падепроведенные с различными анодными электродами (сет- нием напряжения на ускоряющем промежутке [6], что ки, пластины с разным числом отверстий), показали, что и рассмотривается нами как пробой. Отмеченная в [4] фактором, влияющим на пробой, оказывается именно зависимость предельного давления от размеров эмиссиэмиссионный ток. На рис. 2 приведены зависимости онных отверстий, а также установленное в настоящей напряжения Uem пробоя ускоряющего промежутка от работе обстоятельство, что фактором, контролирующим тока Ie эмиссии электронов для различных давлений пробой, оказывается разрядный, а не эмиссионный ток, газа, причем ток эмиссии фиксировался в момент, не позволяют рассматривать в качестве основного механепосредственно предшествующий пробою. Результаты низма пробоя предложенное в [7] перемыкание пучковой экспериментов позволяют сделать вывод о том, что и разрядной плазмы.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 136 В.А. Бурдовицин, М.Н. Куземченко, Е.М. Окс Основной причиной уменьшения толщины прианодно- плазменного источника электронов становится проникго слоя является возрастание концентрации плазмы как новение плазмы из разрядной области в ускоряющий за счет увеличения разрядного тока, так и в результате промежуток.

поступления газовых ионов из ускоряющего промежутка. В то же время рост потенциала плазмы, вызываемый Список литературы в конечном счете повышением потенциала ускоряющего электрода, приводит к увеличению толщины слоя.

[1] Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. М.:

При этом потенциал плазмы полагается положительным Энергоатомиздат, 1977. 143 с.

по отношению к аноду, что подтверждается прямыми [2] Белюк С.И., Крейндель Ю.Е., Ремпе Н.Г. // ЖТФ. 1980.

измерениями, проведенными в помощью эмиссионного Т. 50. Вып. 1. С. 203–205.

зонда. Выражение для потенциала плазмы p может [3] Oks E.M., Schanin P.M. // Physics of Plasmas. 1999. Vol. 7.

N 5. P. 1649–1654.

быть получено с учетом баланса токов, а также воз[4] Бурачевский Ю.А., Бурдовицин В.А., Мытников А.В.

можности проникновения поля ускоряющего электрода и др. // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 2. С. 48–50.

в эмиссионные отверстия [5] Burdovitsin V.A., Oks E.M. // Rev. Sci. Instrum. 1999. Vol. 70.

eD e N 7. P. 2975–2978.

kTe Sa jex 1 + exp kTe p = ln, (1) [6] Жаринов А.В., Коваленко Ю.А. // ЖТФ. 1986. Т. 56. Вып. 4.

e Id С. 681–686.

[7] Удовиченко С.Ю. // ЖТФ. 2000. Т. 70. Вып. 3. С. 19–23.

где jex — плотность хаотического электронного тока в плазме, e — потенциал ускоряющего электрода, D — электрическая прозрачность анодного электрода, Sa — площадь анода, — отношение площадей эмиссии и анода.

Используя полученное в [4] выражение для толщины l прианодного слоя постранственного заряда и принимая в качестве условия проникновения плазмы из разрядной области в ускоряющий промежуток соотношение l = h, получаем формулу, связывающую предельный разрядный ток с параметрами разрядноэмиссионной системы, а также сортом и давлением газа, 03/4 3 Qi MTe p Idm = 1 - nnQed (h)2 4 Qn mTi ekTe 2kTe 0.4eSc, (2) M где nn — концентрация нейтралей в ускоряющем промежутке; Qe, Qi, Qn — сечение ионизации газовых молекул быстрыми электронами, полное сечение взаимодействия медленного иона в плазме, сечение перезарядки быстрого иона соответственно; M, Ti — масса иона и температура ионного компонента плазмы, d — протяженность ускоряющего промежутка, < 1 и определяется экспериментально, потенциал анода принят за нуль.

Расчеты, проведенные согласно (1) и (2) и представленные на рис. 3, удовлетворительно совпадают c экспериметальными результатами, что может рассматриваться как подтверждение правильности предложенной модели пробоя второго типа. Рост Idm с увеличением числа отверстий в анодной диафрагме также находит свое объяснение в рамках предложенной модели, поскольку, согласно (1), увеличение прозрачности D ведет к росту p, что в соответствии с (2) повышает Idm.

Таким образом, результаты наших экспериментов позволяют утверждать, что при повышенных давлениях основной причиной пробоя ускоряющего промежутка Журнал технической физики, 2002, том 72, 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.