Журнал технической физики. 2003, т. 73, вып. 9. с. 64 

ПЛАЗМЕННО-ПУЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ АНОДНОЙ ПЛАЗМЫ ДВУХКАСКАДНОГО САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ХОЛОДНЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ.

Приведены результаты экспериментального исследования анодной области двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления с холодным полым катодом закрытого типа. Установлено, что внешнее продольное магнитное поле способствует генерации плотной анодной плазмы, а поперечное препятствует. Сделан вывод о преобладающей роли плазменно-пучкового механизма генерации плазмы в анодной области разряда. Проведена оптимизация геометрии электродов газоразрядной камеры.

Введение

Известно, что в тлеющем разряде низкого давления с холодным полым катодом наблюдается образование в области анода неоднородной плотной плазмы, если выполнено условие S_a/S_k < 0.01, где S_a – площадь анода, S_k – площадь внутренней поверхности полого катода [1–3]. Яркое свечение анодной плазмы с границами правильной формы обычно отчетливо выделяется на фоне однородного свечения плазмы положительного столба в полом катоде. Механизм генерации этой плотной анодной плазмы остается объектом исследований на протяжении ряда лет. Действительно, исходя из характерных значений основных параметров для давления рабочего газа в области анода менее 10 Ра, тока разряда более 0.1...1 А и разрядного напряжения 300–600 V, сложно объяснить, как происходит генерация плотной анодной плазмы в объеме менее 10 cm³, пользуясь стандартной моделью парных столкновений быстрых электронов с нейтральными частицами. Оценки в этом случае показывают, что длина свободного пробега электронов превышает или сравнима с характерными размерами анодной области, а вероятность ионизационных столкновений для быстрых электронов в анодной области составляет меньше единицы. Кроме того, значительное уменьшение относительной площади анода в условиях низкого давления обычно приводит к образованию между анодной и катодной областями разряда двойного электрического слоя, электрическое поле которого величиной в несколько десятков вольт ускоряет плазменные электроны из катодной области в анодную [1,2]. Условие токопрохождения через стационарный двойной слой, разделяющий анодную и катодную плазмы, имеет известный вид j_i = (т/М)^1/2×j_e, где j_i и М – плотность тока и масса ионов, j_e и т – плотность тока и масса электронов [4]. Отсюда вытекает, что для характерного значения тока самостоятельного разряда ~10³ mА не следует ожидать эмиссии ионов из разряда величиной более 10 mА. Тем не менее известно, что двухкаскадный самостоятельный разряд низкого давления с холодным полым катодом закрытого типа нашел применение в качестве эффективного эмиттера в источниках ионов кислорода и обеспечивает получение пучков ионов до 10–100 mA при токе разряда 100–1000 mA, несмотря на малую площадь анода и наличие двойного электрического слоя величиной ~40 eV [5,6]. Экспериментальные результаты исследований этого разряда показывают, что в анодной области реализуются условия для развития коллективных взаимодействий пучка электронов катодной плазмы, ускоренных полем двойного электрического слоя, с плотной анодной плазмой [2]. Однако до настоящего времени не было получено экспериментальных доказательств того, что плазменно-пучковые взаимодействия играют основную роль в генерации плотной анодной плазмы. Если последнее верно, что, как это было показано в [7–9], противоречия между высоким значением эмиссии ионов из разряда и ограничениями на эту величину, накладываемыми условиями токопрохождения через двойной слой, не возникает. Согласно [7–9], плотность тока эмиссии ионов j_bi из плазменно-пучкового разряда, инициируемого инжекцией электронного пучка в направлении анода, значительно превышает плотность тока эмиссии ионов j_i из плазмы через стационарный двойной слой и описывается соотношением j_bi ≈ aj_i, где a – коэффициент компенсации объемного заряда и равен в зависимости от экспериментальных условий 5–100. В предлагаемой работе представлен сравнительный анализ условий формирования анодной области двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления с холодным полым катодом закрытого типа для трех различных случаев, когда отсутствует внешнее магнитное поле и анодная область разряда помещена во внешнее продольное или поперечное магнитное поле. Известно, что продольное в направлении инжекции электронного пучка магнитное поле способствует увеличению интенсивности плазменно-пучковых взаимодействий [10], а поперечное магнитное поле, наоборот, увеличивает вероятность ударной ионизации при парных столкновениях [4]. Также известно, что поперечное магнитное поле в области двойного слоя значительно облегчает условия токопрохождения ионной компоненты через двойной слой [11].

Анализ результатов, представленных в настоящей работе в развитие [2], указывает на основную роль механизма плазменно-пучковой ионизации в формировании плазмы анодного каскада двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления с холодным полым катодом. До настоящего времени рассмотрение условий возбуждения и развития плазменно-пучкового разряда было проведено лишь для случая низковольтного (<10 V) плазменно-пучкового разряда без внешнего магнитного поля при относительно высоком давлении (>10² Ра) [12] и для случая более высоковольтного (>100 V) плазменно-пучкового разряда низкого давления (<10 Ра), в том числе в продольном магнитном поле [7-10].

Методика эксперимента

Экспериментальная разрядная камера представлена на рис. 1. Разряд возбуждался между внутренней поверхностью полого катода закрытого типа (электроды 1–3) и плоским анодом 4 через контрагирующее отверстие 5. Высота стенок контрагирующего отверстия составляла 3 mm, а диаметр отверстия d при помощи сменных вставок изменялся от 4 до 14 mm. Высота h промежутка между анодом 4 и стенкой полого катода 1 варьировалась от 8 до 1 mm Все электроды были изготовлены из немагнитной нержавеющей стали. Продольное магнитное поле B_|| и величиной до ~15 mТ в промежутке анод–катод создавалось при помощи двух аксиально-намагниченных стандартных феррит-бариевых колец 6 и 7, соосно закрепленных в алюминиевых экранах напротив друг друга на аноде 4 и на внутренней стороне стенки 1 полого катода соответственно. Поперечное магнитное поле В_r величиной до 20 mТ в промежутке анод–катод создавалось двумя продольно намагниченными феррит-бариевыми стержнями 8 и 9, размещенными на наружной стороне стенки 1 полого катода напротив друг друга и симметрично относительно контрагирующего отверстия 5. Цилиндрическая стенка 2 полого катода, как и в прототипе [2], имела диаметр 120 mm, высоту 80 mm и содержала смотровые окна, экранированные молибденовой сеткой. Откачка разрядной камеры производилась со скоростью ~2 m³/s до давления ~10^-4 Ра через 520 отверстий диаметром 3 mm каждое в торцевой стенке катода 3. Кислород в разрядную камеру подавался через периферийное отверстие в держателе анода 4. При расходе Q кислорода 1.1×10^-2 Pa×m³/s давление в промежутке анод–катод составляло менее 2 Ра, а в полом катоде – менее 0.1 Ра. Кварцевый изолятор 10 служил для герметизации разрядной камеры и одновременно позволял производить фотосъемку внешнего вида разряда в промежутке анод–катод. Стабилизированный выпрямитель мощностью 1 А × 1 kV служил для электропитания разрядной камеры. Цепь анода содержала балластное сопротивление величиной 100 W, электроды полого катода были заземлены.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Серия фотоснимков на рис. 2 показывает изменение внешнего вида свечения анодной области разряда в зависимости от экспериментальных условий. Внешний вид анодной плазмы в отсутствие магнитного поля (рис. 2, а) и при характерных значениях тока разряда I_d = 0.3 А, напряжения разряда U_d = 360 V, расхода кислорода Q = 1.2×10^-2 Ра×m³/s, высоты промежутка анод–катод h = 8 mm и диаметра контрагирующего отверстия d = 4 mm можно было сопоставить с внешним видом плазменно-пучкового разряда без магнитного поля, так как он содержал вес основные его части, описанные в [13] (рис. 2, b). По аналогии с [13] здесь можно было выделить: С – цилиндрической формы плазменный столб, обусловленный протеканием почти параллельного пучка электронов из катодной плазмы; Е – зону мениска; F – зону рассеяния, в которой электроны пучка отклоняются в радиальном направлении. С уменьшением высоты промежутка анод–катод значение разрядного напряжения U_d немного уменьшалось при постоянстве значений других разрядных параметров, зона рассеяния F увеличивалась в поперечных размерах, а столб анодной плазмы цилиндрической формы С смещался во внутрь полого катода, в область более низкого давления. Это иллюстрирует рис. 2, с, где I_d = 0.3A, U_d = 345 V, h = 4 mm, d = 4mm. При увеличении тока разряда за счет подводимой мощности от внешнего источника питания наблюдались рост разрядного напряжения и увеличение размеров зоны рассеяния F (на рис. 2, d U_d = 350 V, I_d = 0.4 А). Введение поперечного магнитного поля В_r = 10 mТ приводило к ухудшению условий горения разряда и сопровождалось уменьшением интенсивности свечения анодной плазмы одновременно с увеличением поперечных размеров плазменного столба С и более размытым видом границ (для рис. 2,е характерны значения разрядных параметров: I_d = 0.3 A, U_d = 375 V, Q = 1.2×l0^-2 Pa×m³/s, h = 8 mm, d = 6 mm). Увеличение поперечного магнитного поля до В_r = 20 mТ вызывало дальнейшее ухудшение разрядных условий и уменьшение интенсивности свечения анодной плазмы (на рис. 2, f I_d = 0.3 А, U_d = 390 V). Одновременно наблюдались генерация интенсивных шумов в широком частотном диапазоне и появление нестабильностей в разряде. Магнитное поле В_r = 20 mТ оказывалось достаточным для обрыва разряда, если начальное значение тока разряда без внешнего магнитного поля было I_d < 0.2 А, а расход кислорода составлял меньше Q < 1.2×10^-2 Ра×m³/s. Противоположная картина наблюдалась в случае введения продольного магнитного поля. Здесь уже при значении продольного магнитного поля в промежутке катод–анод более B_|| > 10 mТ наблюдалось интенсивное свечение однородной анодной плазмы с отчетливыми боковыми границами по всему промежутку анод–катод (на рис. 2, g l_d = 0.3 A, U_d = 350 V, Q= 1.2×10^-2Pa×m³/s, h = 8 mm, d = 4 mm). Увеличение тока разряда до I_d = 0.6 А приводило к незначительному увеличению разрядного напряжения до U_d = 365 V. Свечение анодной плазмы становилось более интенсивным и однородным (рис. 2,h).

На рис. 3 представлены вольт-амперные характеристики разряда U_d(I_d) (кривые 1–3) и зависимости тока I_k, протекающего в цепи нижнего торца 3 полого катода, от тока разряда I_d, характеризующие эффективность эмиссии ионов из разряда (кривые 4–6) для трех рассмотренных выше случаев разрядных условий, когда внешнее магнитное поле в области анода отсутствует (кривые 1, 4), при наличии поперечного магнитного поля В_r = 15 mТ (кривые 2,5) и продольного магнитного поля B_|| = 15 mT (кривые 3, 6) при значении остальных параметров Q =