Журнал технической физики. 1988. т. 58, вып. 5. с. 993

ДВУХКАСКАДНЫЙ САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ БЕЗ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Известно [1, 2], что в самостоятельном разряде низкого давления, контрагированного кольцевой щелью в полом катоде, введением радиального магнитного поля л щели создаются условия для двухкаскадного последовательного объемного размножения электронов, благодаря чему энергетические затраты на генерацию одного иона в разряде снижаются в несколько раз.

В данной работе приведены результаты исследований по организации двух каскадного самостоятельного разряда низкого давления без внешнего магнитного ноли, по выявлению его структуры и механизма образования и, заряженных частиц.

Экспериментальная электродная система представлена на рис. 1. Разряд горит между внутренней поверхностью полого катода (электроды 1–3) и анодом 4 через контрагирующее отверстие диаметром 4 и высотой 1 мм в плоском электроде 1 (зазор между электродами 1 и 4 составляет 2 мм). В цилиндрической стенке 2 полого катода диаметром 120 и высоток 80 мм имеется смотровое окно 40×50 мм, экранированное молибденовой сеткой. Для герметизации электродной системы служит стеклянный изолятор 5. Напуск рабочего газа (аргона) в разрядный промежуток производится со стороны анода и регулируется с помощью натекателя. Минимальный расход газа для поддержания разряда составляет 1.1×10^-2 Па×м³/с. При этом давление в полом катоде не превышает 10^-1 Па, а в области между катодом и анодом – 2 Па. Откачка разрядной камеры осуществляется через 520 отверстий диаметром 3 мм каждое в стенке 3 катода вакуумным агрегатом ВА-2-ЗПр. Предельное давление (без напуска газа) составляет 5×10^-3 Па.

Рис. 1. Экспериментальная электродная система.

После зажигания разряда, как и в работах [2, 3], наблюдается равномерное свечение в полости, отделенное от стенок катода темным пространством шириной в несколько миллиметров, и яркий плазменный сгусток с катодной стороны сужения разряда. Измерения с помощью эмиссионного зонда показали, что плазма в полом катоде эквипотенциальна и имеет относительно катода потенциал U_K=280÷300 В при потенциале анода U_Р=340÷360 В. Профиль распределения плотности ионного тока по катодной полости, полученный подвижным зондом под потенциалом катода, указывает на наличие расходящегося потока ионов, выходящего из контрагирующего отверстия в электроде 1 и пронизывающего полость. Существование такого потока подтверждается также превышением в несколько раз средней плотности тока нижнего электрода S по сравнению со средней плотностью тока на боковую стенку 2. Согласно тормозной характеристике (рис. 2), полученной электростатическим анализатором, расположенным на оси за электродом 3, доля быстрых ионов составляет ~60 % от общего тока ионов, проникающих из разряда в вакуум. Видно, что как в полом катоде, так и в области анода имеет место объемная генерация заряженных частиц с коэффициентами размножения электронов a > 2 в каждой области (каскаде).

Известная модель [1, 2] описывает генерацию заряженных частиц в двухкаскадном разряде на основе ионизирующих столкновений электронов, ускоренных на границе каждого каскада и проходящих путь, достаточный для нескольких ионизации.

Условия в полом катоде исследуемого разряда позволяют применить известную модель [1, 2] к катодному каскаду, что нельзя сказать об анодном, в котором длина пути электрона в зазоре между катодом и анодом на порядок меньше ионизационной длины пробега электрона.

Объяснить механизм генерации заряженных частиц в анодном каскаде с a > 2 можно на основе пучково-плазменных взаимодействий. Будем считать, что поток электронов из катодного каскада ускоряется двойным электрическим слоем па входе контрагирующего отверстия и раскачивает ленгмюровские колебания в анодной плазме. При энергии – 20 эВ и концентрации электронов пучка ~10¹⁵ м^-3 (ток пучка ~0.1 А), концентрации анодной плазмы ~10¹⁷ м^-3 (оцениваемой по зондовым измерениям), давлении ~1 Па осуществляется эффективная передача энергии от пучка через ленгмюровсиие колебания электронам анодной плазмы на пути ~1 мм в соответствии с соотношениями, приведенными в [4], Разогрев электронов плазмы обеспечивает ионизацию рабочего газа и в конечном счете a > 2 в анодном каскаде.

В пользу предложенного механизма размножения электронов говорят также существование минимального порогового тока разряда I_П и фиксация ВЧ колебаний. Разряд зажигается при напряжении между катодом и анодом U_P =400 В кратковременным увеличением давления газа в разрядном промежутке. При установившемся давлении разряд не удается инициировать увеличением U_P (до 1.5 кВ). Уменьшение тока разряда ниже I_П приводит к срыву разряда независимо от величины балластного сопротивления (10²–10³ Ом) в цепи источника питания. Увеличение давления путем изменения расхода газа уменьшает величину I_П (рис. 3). Возрастание разрядного тока от 0.01 до 1.4 А приводит к существенному увеличению размеров плазменного сгустка, выступающего из контрагирующего отверстия в область пониженного давления, с 1 до 15 мм. Полученные факты соответствуют известным представлениям о соотношении тока и давления в пучково-плазменном разряде.

Таким образом, в данной работе реализован двухкаскадный самостоятельный разряд низкого давления без внешнего магнитного поля. Объемная генерация заряженных частиц в катодном каскаде обеспечивается электронами вторичной эмиссии со стенок катода по известной схеме [1, 2], а в анодном каскаде – путем ионизации плазменными электронами, разогрев которых происходит в поле ленгмюровских колебаний, раскачиваемых пучком электронов, ускоренных двойным электрическим слоем.

Литература

[1] Журавлев Б.И., Никитинский В А., Гапонехко А Т. ЖТФ, 1985, т. 66, № 8, с. 1637 – 1639.

[2] Никитинский В.А., Журавлев Б.И. ЖТФ, 1982, т. 52, № 5, с. 880–883.

[31 Стогний А.И., Никитинский В.А., Журавлев Б.И., Тез. докл. VI Всес. симлоз, по сильноточной электронике. Томск, 1986, ч. 1, с. 52–54.

[4] Бакшт Ф.Г., Богданов А А., Каплан В.Б. и др. ФП, 1981, т. 7, № 3, с. 547–559.