Алексей В. Петренко

Физический факультет НГУ

  Работа посвящена экспериментальному определению влияния длины цилиндрического полого катода на вольт-амперную характеристику газового разряда в аргоне при давлении 8*10^-2мм.рт.ст. Полый катод состоит из цилиндра, изготовленного из стальной нержавеющей сетки, внутри которого находится свободно перемещающийся изолированный от стенок латунный электрод (коллектор). Расстояние от катода до анода не менялось. Диаметр катода 34 мм, диапазон изменения длины полости L: 0 ... 15,5 см. Получены вольт-амперные характеристики разряда при различных длинах катода, из которых установлено, что при напряжении между электродами = 520В зависимость тока на коллектор от L имеет максимум в диапазоне отношений длины катода к его диаметру 2 ... 3. Приводится теоретический расчет вольт-амперной характеристики, учитывающий ионизацию быстрыми электронами, образованными в катодном слое разряда. Для максимальной длины катода экспериментальная зависимость согласуется с теорией при коэффициенте вторичной ионно-электронной эмиссии g> 0,01. Дано качественное объяснение полученных результатов.

1. Введение.

 
1. Экспериментальная часть

   
   2.1. Описание экспериментальной установки
   Схематический чертеж разрядного устройства представлен на рис. 1. Внутри вакуумной камеры, состоящей из дюралюминиевого блока (10), изолятора (9) и стеклянных трубок (4), откачиваемой форвакуумным насосом до давления 2*10^-2 мм. рт. ст., находятся электроды и механизм, изменяющий длину катода. Полый катод представляет собой плотно прилегающий к стеклянной трубке сетчатый цилиндр, длиной 19 см и диаметром (341) мм, изготовленный из с  тальной немагнитной нержавеющей сетки с диаметром проволоки 0,2 мм и размером ячейки 0,80,8 мм. Левый торец катода (коллектор) изолирован кварцевым изолятором от сетки и при помощи кольцевого магнита, внутри которого находится магнитный сердечник, связанный штоком с коллектором, может перемещаться внутри цилиндра.

   Коллектор (рис. 2.) изготовлен из латуни. Диаметр его обращенной к аноду металлической части равен 30 мм.
   
   

   2.2. Методика эксперимента

   Электрическая схема установки представлена на рис. 3. Эксперимент проводился следующим образом. Вакуумная камера откачивалась до максимального разрежения и затем натекателем выставлялось необходимое давление. После этого, плавно увеличивая напряжение блока питания, при помощи самописца снимались зависимости напряжения на R₁ или R₂ (вход Y самописца) от разности потенциалов на R₄ (вход Х). Для всех L графики чертились на одном листе.

   
    

2. Результаты измерений

   
   3.1. ВАХ сетки

   Характерный вид разряда показан на рис. 4. Для L=15,5:8см при плавном увеличении напряжения между электродами U_d сразу после пробоя газового промежутка ток на сетку I_с (см. рис. 5.) устанавливался в пределах 2:2,5мА. Характерная для всех L из этого диапазона часть ВАХ, соответствующая переходу разряда в высоковольтную стадию, реализуется при токах 0,5:2мА и была получена уменьшением напряжения генератора ниже пробойного. Толщина линий, получающихся при многократном снятии ВАХ, для L=0,7:2см, а также для L=6..15,5см примерно соответствует толщине линий на рис. 5. При L=2,5:3,5см показания самописца изменялись со временем (по оси X со скоростью ~ 30В/мин) в направлении указанном стрелкой. На рис. 5. для диапазона значений L=2,5:3,5см приведены характерные кривые, получающиеся при быстром (~ 5сек) увеличении U_d.
   
   3.2. ВАХ коллектора

   Для длин катода из диапазона 7:15,5см ток на коллектор I_к, устанавливавшийся сразу после пробоя, был настолько мал, что самописец его не регистрировал. Лишь при L=2:5см начальное значение I_к стало существенным - 100:200мкА (рис. 7.). Загибающиеся вперед нижние части ВАХ (рис. 7.) для этих L были получены так же, как и в предыдущем случае - уменьшением U_dниже пробойного.
   ВАХ рис. 8 снималась с неизвестным смещением по X. Оба графика (рис. 7 и рис. 8.) были получены с интервалом в несколько минут, поэтому при определении нуля оси X на рис. 7 использовалось минимальное U_d, вычисленное по ВАХ рис. 6.
   
   

3. Обсуждение результатов
    

   В работе [6] учет влияния ионизации в катодном слое позволил произвести расчет ВАХ разряда, результаты которого согласуются с приведенными в [6] экспериментальными данными при плотности катодного тока 10^-5-10-4 А/см^2.

   Полученное в [6] выражение для плотности катодного тока имеет вид

                (1)

   

   

   где U - напряжение между электродами, I - потенциал ионизации газа, a - диаметр катодной полости, - коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии материала катода, M - молекулярная масса газа, W - средняя энергия, затрачиваемая быстрым электроном на одну ионизацию.  - безразмерный коэффициент, зависящий от рода газа и отноошения U/I.

   Для аргона I=15,7 B, W=26 эВ, M=40;  в диапазоне напряжений 400-600 В можно с приемлемой точностью аппроксимировать прямой

   (2) 

   С использованием (2) для разряда в аргоне при см и L=15,5 см (1) перепишется в виде

   (3) 

   

   

   где ток на сетку  измеряется в мА, а U в вольтах. Рассчитанные по (3) вольт-амперные характеристики для различных  а также экспериментальная зависимость для L=15,5 см приведены на рис. 6.

   
       Из рисунка видно, что лучше всего теоретическая кривая согласуется с экспериментом при  Но в справочной литературе для нержавеющей стали и аргона приводится значение ~ 0,02 - 0,03 [11], что согласно рассмотренной теории соответствует разрядному току, на порядок превышающему экспериментально установленное значение.

   Подобное противоречие может быть устранено, если принять во внимание, что катод сетчатый. В этом случае ионы бомбардируют поверхность металла под углами в большинстве меньшими 90^0, а также, теряют набранную в катодном слое энергию при столкновении со стеклом, что, очевидно, должно уменьшать.

   Если пренебречь первым эффектом и вероятность P попасть на проводник считать для иона, как , где  - площадь проекции сетки на стекло, D - диаметр катода, L - его длина; тогда  можно оценить как , где  - справочное значение  для аргона и нержавеющей стали. Если взять , то 

   Реально, по-видимому, имеют место оба вышеизложенных обстоятельства, а вероятность P выше чем 0,44. Однако, количество ионов компенсируется углом их падения.

   Кроме того, в теоретической модели пренебрегается потерями быстрых электронов через выходную апертуру полости. Это также несколько завышает расчетное значение тока.

   Рассмотрим теперь вольт-амперные характеристики для коллектора. На рис. 6 показан общий вид этих характеристик. На рис. 7 зависимости разобраны более подробно. Здесь так же, как и для боковой поверхности катода, в области малых L наблюдается спад характеристик связанный, по-видимому, с ослаблением эффекта полого катода из-за потерь быстрых электронов через выходную апертуру полости. Для больших L при уменьшении длины катода ток возрастает. Это объясняется тем, что в длинном катоде максимум плотности ионного тока наблюдается ближе к аноду [8]. С помощью этих же соображений можно объяснить вид кривой на рис. 10.

   График зависимости тока на коллектор от длины полости при постоянной разности потенциалов между электродами U_d=520В представлен на рисунке 9.
   
   
    
    

4. Выводы

• Для максимальной длины катода полученная вольт-амперная характеристика согласуется с теорией при коэффициенте вторичной ионно-электронной эмиссии в два раза меньшем справочного значения.
• При напряжении между электродами = 520В зависимость тока на коллектор от L имеет максимум в диапазоне отношений длины катода к его диаметру 2 ... 3.

1. Литература

[2] В.И. Кириченко и др. Влияние геометрических размеров, материала катода и рода газа на область оптимальных давлений тлеющего разряда с цилиндрическим полым катодом. -ЖТФ, 1976, т.46 ?9.

[3] С.П. Никулин. Влияние размеров анода на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. -ЖТФ, 1997, т.67, ?5.

[4] С.П. Никулин. Тлеющий разряд с полым катодом в длинных трубках. -ЖТФ, 1999, т.69, ?6.

[5] В.Г. Гречаный, А.С. Метель. Влияние граничных условий на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. -ЖТФ, 1982, т.52, ?3.

[6] А.С. Метель. Влияние ионизации в катодном слое на характеристики тлеющего разряда с осциллирующими электронами. -ЖТФ, 1985, т.55, ?10.

[7] Б.И. Москалев. Страты в плазме полого катода. - ЖТФ, 1965, т.XXXV, ?8.

[8] Б.И. Москалев. Разряд с полым катодом. "Энергия", М. (1969).

[9] В.С. Бородин и Ю.М. Каган. Исследование разряда в полом катоде. -ЖТФ, 1966, т.XXXVI, ?1.

[10] K. Ishii, K. Amato and H. Hamakake. "Hollow cathode sputtering cluster source for low energy deposition: Deposition of Fe small clusters." J. Vac. Science and Technol. A, 17/1999.

[11] Никулин С.П.//ЖТФ. 1992. Т. 62. Вып. 12. С. 21-27.

[12] А.В.Визирь, Е.М.Окс,и др. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников. -ЖТФ, 1997, том 67, Вып. 6.

[13] S. Pfau, R. Kozakov, M. Otte and J. Rohmann. "Experimental Investigations of a Cylindrical Hollow Cathode Glow Discharge." International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Warsaw, Poland, July 11-16, 1999. Proceedings, Contributed Papers, Vol. 3.