Условия существования и эмиссионные свойства положительно заряженных структур в тлеющих разрядах с осциллирующими электронами

Интерес к изучению характеристик тлеющих разрядов низкого давления с осциллирующими электронами обусловлен в основном возможностью их применения при разработке источников пучков заряженных частиц [1,2]. В таких источниках для сохранения электрической прочности ускоряющего промежутка необходимо обеспечить в нем пониженное давление и, соответственно, низкое давление должно поддерживаться и в газоразрядной системе источника, которая сообщается с ускоряющим промежутком через эмиссионное отверстие или через некоторый набор отверстий в случае генерации пучка с большим поперечным сечением.

При переходе в кнудсеновский газовый режим поддержание тлеющего разряда в «классических» газоразрядных трубках становиться затруднительным, напряжение горения резко возрастает. Сохранить невысокий уровень напряжения при работе в области левой ветви кривой Пашена и даже в области намного левее левой ветви удается при использовании специфических газоразрядных камер, в которых электроны находятся в электростатической (разряд с полым катодом [3]) или в магнитной ловушках (Пеннинговский разряд [4], разряды в системах магнетронного типа [5,6] и т. д.). Во втором случае газоразрядная камера представляет собой некоторое сочетание магнитной и электростатической ловушек, так как при использовании только магнитного поля, электроны могут быстро покинуть газоразрядный промежуток двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля.

В результате осцилляций в магнитном поле и/или в электростатической потенциальной яме электроны проходят путь, существенно превышающий размеры газоразрядной камеры, и могут достаточно эффективно ионизовать газ даже при низких давлениях, обеспечивая тем самым выполнение условия самостоятельности. Наличие осцилляционного движения электронов является общим как для разряда с полым катодом, так и для разрядов с магнитным полем, и это, а также наличие других общих закономерностей [7−10], послужило основанием для использования по отношению к ним термина «разряды с осциллирующими электронами» .

Из сказанного выше о разрядах с осциллирующими электронами вытекает, казалось бы, очевидный вывод, впервые явно сформулированный в работе [11], что для того чтобы понизить рабочее давление необходимо всемерно повышать эффективность удержания электронов в ловушке. В условиях работы [11], в которой экспериментально исследовалась система с полым катодом и проволочным анодом, это достигалось за счет уменьшения размеров анода и отверстий, через которые анод вводился в полый катод.

Однако дальнейшие исследования показали, что горение тлеющих разрядов с осциллирующими электронами возможно в двух формах [1], для одной из которых, отличающейся сравнительно небольшой силой тока и высоким напряжением горения, характерно отсутствие в промежутке сколько-нибудь заметных объемных зарядов или преобладание отрицательного заряда, а для второй, сравнительно более сильноточной и горящей при меньших напряжениях, характерно, что практически весь промежуток заполнен плазмой, имеющей потенциал, близкий к потенциалу анода. Во втором случае разрядное напряжение почти целиком сосредоточено в прикатодном ионном слое, и формирующаяся в разрядном промежутке структура обладает в целом положительным зарядом.

Относительно высоковольтной формы разряда сделанный в работе [11] вывод о необходимости повышения эффективности ловушки представляется справедливым. Что же касается сильноточной формы, а следует отметить, что для разработки мощных и энергетически эффективных ионных и электронных источников целесообразно использовать именно ее [12], то здесь применимость этого вывода представляется сомнительной, так как из самых общих соображений очевидно, что для реализации разряда с положительно заряженной структурой необходимо облегчить уход из разряда отрицательно заряженных частиц. Справедливость этих сомнений подтвердили результаты экспериментов [10], в которых уменьшение размеров выходной апертуры полости ниже некоторого значения, привело не к уменьшению, а к резкому увеличению напряжения горения или даже к погасанию разряда, что обусловлено трудностями с транспортировкой электронов к аноду.

Таким образом выявление оптимальных условий функционирования сильноточной формы разряда, при которых будут обеспечены и эффективная ионизация и беспроблемная транспортировка электронов без образования прианодного слоя отрицательного заряда с сильным электрическим полем, является актуальной задачей. Выявление этих условий является основной целью настоящей работы и позволит, в свою очередь, определить оптимальные условия функционирования газоразрядных систем сильноточных источников заряженных частиц.

В то же время для ряда приложений необходимо использование сравнительно слаботочных пучков. В качестве примера можно указать на ионную обработку полимеров [13], а также на то обстоятельство, что в электронных источниках большинство подготовительных операций перед обработкой необходимо выполнять при малом токе пучка [14]. В связи с этим актуальным является вопрос о возможности реализации в системах, предназначенных для осуществления сильноточного режима, разряда с небольшой силой тока и, соответственно, о возможности получения, слаботочного пучка.

Этот вопрос представляет значительный интерес не только с прикладной точки зрения. Результаты экспериментов [15], в которых изучался тлеющий разряд с полым катодом, имеющим форму длинной цилиндрической трубки, показали, что с уменьшением разрядного тока, возможно возникновение ситуации, когда лишь некоторая часть катода принимает участие в разряде. Внешне такая ситуация похожа на то, что наблюдается в режиме нормального тлеющего разряда (НТР), однако в режиме НТР при поддержании постоянного тока разряда и уменьшении давления происходит увеличение площади той части катода, которая участвует в разряде, в то время как в полом катоде увеличение площади происходит при высоких давлениях [16], а при низких давлениях уменьшение давления сопровождается уменьшением площади участвующей в разряде поверхности катода. Отсюда ясно, что механизм возникновения этой специфической структуры с частичным заполнением полости плазмой при низких давлениях является отличным, от того, который действует в НТР, и выяснение этого механизма представляет определенный научный интерес.

Общей для многих разрядов низкого давления является проблема их инициирования [17]. В частности, для зажигания разряда с полым катодом, как правило, приходится применять различные вспомогательные устройства, генерирующие плазму и инжектирующие ее в катодную полость [18]. Что же касается разряда низкого давления в магнитном поле, то относительно него сложилось другая точка зрения, что с инициированием этого разряда особых проблем нет, так как он зажигается практически при тех же напряжениях, при которых происходит и его горение. Однако это мнение, видимо, сложилось на основании экспериментальных результатов, полученных при зажигании разряда в диапазоне очень низких давлений (10~5−10~7 Topp) [19−21]. В этом диапазоне после зажигания возникает высоковольтная форма разряда, для которой при малых разрядных токах характерно, как уже отмечалось выше, отсутствие значительного объемного заряда. В этих условиях совпадение напряжений зажигания и горения выглядит вполне естественным. Если же после зажигания возникает сильноточная форма разряда, при которой в значительной части промежутка имеется плазма со слабым электрическим полем, и таким образом внешнее электрическое поле существенно искажено, то вполне возможно значительное расхождение между этими двумя величинами. Однако подробных экспериментальных или расчетных данных о характеристинах зажигания разряда в условиях, когда реализуется его сильноточная форма, к моменту начала данной работы в литературе не было. Проведение таких исследований также представляет определенный интерес.

В последнее время в связи с постепенным внедрением ионных и электронных технологий в производство возрастает интерес к получению пучков с большим поперечным сечением [22,23], которые дают возможность быстрой обработки крупных деталей без сканирования по поверхности образца или без его перемещения, а также для одновременной обработки большой партии мелких деталей. Очевидным требованием к таким пучкам является обеспечение равномерности распределения плотности тока по его сечению. В этом случае приходится решать задачу прямо противоположную той, которая возникала при разработке источников с узким пучком и заключалась в генерации резко неоднородной плазмы с максимумом вблизи эмиссионного отверстия для обеспечения эффективной эмиссии [2]. Решение этой задачи достигалось созданием условий для повышенной ионизации в области вблизи отверстия и наложением магнитного поля, предотвращающего уход частиц из этой области в нежелательных направлениях. Казалось бы для решения противоположной задачи, генерации однородной плазмы, нужно и действовать прямо противоположным образом, т. е. попытаться обеспечить равномерную ионизацию в разрядном объёме и отказаться от использования магнитного поля. Наличие равномерной ионизации в случае разрядов высокого давления, в которых исчезновение заряженных частиц происходит в результате объёмной рекомбинации, действительно привело бы к возникновению однородной плазмы [24], по крайней мере на некоторое время до раскачки того или иного типа неустойчивости [25,26]. Однако в разрядах низкого давления, в которых частицы уходят из разряда на электроды, ситуация существенно иная и сделанный вывод перестает быть справедливым. Для выявления возможности получения однородной плазмы в этом случае необходим совместный анализ условий генерации заряженных частиц и их движения.

Еще одним принципиальным моментом при рассмотрении характеристик тлеющих разрядов с осциллирующими электронами является то, что эти характеристики могут существенно измениться при переходе в режим отбора части заряженных частиц в ускоряющий промежуток для формирования пучка [27,28]. Например, очевидно, что отбор части ионов и, соответственно, уменьшение ионного тока на катоде приведет к ослаблению интенсивности у — процессов и затруднит поддержание разряда. К таким же нежелательным последствиям может привести и отбор электронов, приводящий к ослаблению интенсивности ионизационных процессов в разрядном промежутке. Чтобы избежать или хотя бы уменьшить воздействие этих негативных процессов, необходимо детальное изучение влияния эмиссии заряженных частиц на характеристики разряда.

Другой особенностью эмиссии заряженных частиц из тлеющих разрядов, проявляющейся, когда эмиттерный электрод является катодным элементом газоразрядной системы, является то, что в этом случае эмиссия идет из плазмы, ограниченной прикатодным ионным слоем [29], напряжение на котором довольно большое по сравнению с перепадом напряжения в слое вблизи изолированной стенки. Соответственно, протяженность слоя также велика и может быть сравнима с размерами эмиссионного отверстия. В этих условиях можно ожидать существенного изменения эмиссионных характеристик, по сравнению со случаем, когда эмиттерный электрод находится под плавающим потенциалом или под потенциалом катода дугового разряда и протяженность приэлектродных слоев незначительна.

Изложив основные проблемы, возникающие при использовании тлеющих разрядов с осциллирующими электронами в источниках заряженных частиц, сформулируем цель настоящей работы и пути ее достижения.

Целыо настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование условий реализации и характеристик положительнозаряженныхструктур. формирующихся в тлеющих разрядах с осциллирующими электронами, условий генерации в них однородной плазмы и изучение ее эмиссионных свойств.

Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать условия, при которых возможна реализация положительно заряженных структур в различных видах тлеющего разряда с осциллирующими электронами. Определить нижние границы рабочих диапазонов давления газа, индукции магнитного поля и разрядного тока и изучить влияние всех этих факторов на напряжение горения разряда.

2. Экспериментально и теоретически исследовать инициирование разряда в условиях, при которых возникающий разряд будет гореть в сильноточной форме.

3. Выявить условия, при которых в тлеющих разрядах с осциллирующими электронами возможна генерация плазмы с близким к однородному распределением концентрации.

4. Исследовать влияние эмиссии заряженных частиц на характеристики разряда и условия реализации сильноточной формы.

5. Изучить особенности эмиссии заряженных частиц из плазмы, ограниченной областью катодного падения потенциала тлеющего разряда.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. В первой главе рассмотрены методы анализа движения заряженных частиц в условиях, характерных для тлеющих разрядов с осциллирующими электронами. Во второй главе исследованы условия существования положительно заряженной структуры в разряде с полым катодом. В третьей главе проанализированы особенности горения разряда с полым катодом при малых разрядных токах. В четвертой главе описаны результаты экспериментального и теоретического исследования условий поддержания и инициирования разряда с осцилляцией электронов в магнитном поле. В пятой главе рассматривается возможность генерации однородной плазмы в разрядах с осциллирующими электронами. В шестой главе изучаются особенности электронной эмиссии из тлеющих разрядов. В последней, седьмой главе проводится анализ ионно — эмиссионных свойств плазмы тлеющих.

Выводы.

Результаты проведенного анализа влияния ионной эмисии на характеристики разряда с полым катодом показывают, что существует некоторый, зависящий от давления, оптимальный уровень эффективности извлечения, при котором энергетическая эффективность достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении эффективности извлечения энергетическая эффективность начинает уменьшаться вследствие затруднения условий поддержания разряда и резким ростом напряжения горения. Величина оптимального уровня ионной эмиссии возрастает с увеличением давления и достигает 0.5 при давлениях, существенно превышающих критическое.

Проведен сравнительный анализ ионной эмиссии для случаев, когда эмиттерный электрод находится под потенциалом катода тлеющего и дугового разрядов, и показано, что для получения пучков с большей плотностью тока необходимо уменьшение разности потенциалов между эмиттерным электродом и плазмой, что обеспечивается в дуговых разрядах или при плавающем потенциале эмитгерного электрода. В системах, где.

— 302эмиттерный электрод находится под потенциалом катода тлеющего разряда, для получения заданной плотности тока необходимо усиление ускоряющего электрического поля.

Проведенные расчеты тока ионной эмиссии из плазмы при учете процесса резонансной перезарядки в диапазоне давлений, когда режим движения ионов меняется от бесстолкновительного до случая подвижности в сильных электрических полях, показывают, что с увеличением давления возрастает перепад потенциала на плазме, а плотность тока ионной эмиссии уменьшается. Предложеы простые аппроксимационные формулы для плотности ионного тока, которые с удовлетворительной точностью описывают полученные результаты, и из которых известное соотношение, полученное Ленгмюром для бесстолкновительного режима, вытекает как частный случай.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе проведено комлексное исследование сильноточной формы тлеющего разряда с осциллирующими электронами, характеризующейся преобладанием положительного заряда, и эмиссионных свойств генерируемой в нем плазмы с использованием экспериментальных, аналитических и численных методов.

Основные полученные результаты можно кратко суммировать следующим образом:

Разработана модель разряда, основанная на раздельном рассмотрении быстрых и медленных электронов, которая позволила определить характерные области внешних параметров, таких как давление, индукция магнитного поля и электродная геометрия, в пределах которых реализуется эта форма для газоразрядных систем с полым катодом различной формы и для разряда в магнитном поле.

Показано, что при малой величине разрядного тока и, соответственно, при малых радиальных размерах плазмы система плазма — ионный слой, формирующаяся в разряде с полым катодом является неустойчивой, что позволило объяснить эффект сокращения участвующей в разряде поверхности полого катода при уменьшении тока разряда или давления.

При большой протяженности катодного слоя значительный вклад в ток разряда могут внести ионы, генерируемые осциллирующими электронами в этом слое. Учет этого обстоятельства позволил расчитать вольт — амперные характеристики разряда с полым катодом в удовлетворительном согласии с экспериментально измеренными.

Экспериментально показано, что напряжение зажигания превышает напряжение горения сильноточной форма разряда, что связано с со значительным отличием в характере распределения электрического поля в промежутке при инициировании и горении разряда. Обнаружен эффект немонотонной зависимости напряжения зажигания от индукции магнитного поля.

Проведеный анализ условий генерации однородной плазмы показал, что в отличие от разрядов высокого давления, где для этого необходимо осуществление равномерной ионизации, в тлеющих разрядах низкого давления с полым катодом и полым анодом необходимо усиление ионизации на периферии системы и ее ослабление в центральной области.

Экспериментально и теоретически показано, что из прианодной части разрядов с магнитным полем возможна высокоэффективная эмиссия электронов без нарушения устойчивости разряда, что связано с различным характером пространственных распределений быстрых частиц, концентрация которых у анода мала, и медленных частиц, концентрация которых вблизи анода возрастает при использовании слабых магнитных полей.

Учет ограничения эмиттирующей поверхности плазмы протяженным катодным слоем позволил получить соотношение для расчета эмиссионных характеристик плазменных источников электронов с катодным эмиттерным электродом, удовлетворительно согласующееся с экспериментально измеренными характеристиками и позволяющее объяснить их качественные особенности.

Установлено, что в отражательном разряде с полым катодом механизм переключения электронного тока с анода на коллектор или в пучок, является многофакторным. Уменьшение анодного тока в режиме электронной эмиссии обеспечивается благодаря уменьшению радиальных градиентов концентрации и потенциала, а также вследствие подавления вращательной неустойчивости плазмы.

Экспериментально показано, что погасание отражательного разряда с полым катодом в режиме электронной эмиссии связано с уходом быстрых электронов, в то время как высокоэффективный отбор плазменных электронов не нарушает устойчивости разряда.

• Показано, что переход от отражательного разряда к разряду с полым катодом происходит через возбуждение релаксационных колебаний, обуславливающих появление локального максимума на эмиссионной характеристике.

Показано, что существует зависящий от давления, оптимальный уровень ионной эмиссии из разряда с полым катодом, при котором энергетическая эффективность достигает максимума. При превышении этого уровня энергетическая эффективность начинает уменьшаться вследствие резкого роста напряжения горения, обусловленного неучастием отбираемых ионов в гамма — процессах на катодной поверхности.

Проведенные расчеты плотности тока ионной эмиссии из плазмы в диапазоне давлений, когда режим движения ионов меняется от бесстолкновительного до случая подвижности в сильных электрических полях, показали, что в этом диапазоне с увеличением давления происходит уменьшение ионного тока и увеличение перепада потенциала на плазме.

Полученные результаты могут быть использованы для разработки оптимальных конфигураций и определения оптимальных режимов работы газоразрядных систем ионных и электронных источников на основе различных видов тлеющих разрядов. Кроме того в результате проведенных исследований показана перспективность проведения работ в новом направлении, связанном с разработкой источников заряженных частиц с пучками большого сечения на основе, тлеющих разрядов с осцилляцией электронов в магнитном поле.

Работа была выполнена в лаборатории пучков частиц, первым руководителем которой был профессор Крейндель Ю. Е. Именно он привлек внимание автора к исследованному в данной работе виду газовых разрядов, и ему автор в первую очередь хотел бы выразить глубокую благодарность, как своему учителю.

В проведении ряда исследований приняли участие сотрудники лаборатории пучков частиц Гаврилов Н. В., Пономарев А. В., Радковский Г. В.,, а также студенты кафедры Электрофизики УГТУ-УПИ Шубин О. А., Берсенев В. В., Козловских А. В., Кулешов С. В. Все они являются соавторами соответствующих публикаций и всем автор хотел бы выразить свою признательность.

Выражаю благодарность всем членам моей семьи за терпение и поддержку.