Название моего доклада: "Влияние длины полого катода на вольт-амперную характеристику газового разряда".

Несмотря на достаточно длительные исследования газового разряда с полым катодом, в настоящее время ведутся работы по изучению физических явлений в плазме этого типа разряда.

Это объясняется двумя причинами. Во-первых, разряд с полым катодом успешно применяется в технологических целях, например для получения покрытий и обработки материалов. В связи с чем разрабатываются источники ионов и кластеров. Это статьи Ф.И.О., опубликованные в журнале технической физики за 1999 и 2000 год.

Здесь особый интерес представляют работы по генерации однородной плазмы внутри полого катода, направленные на создание ионных пучков с равномерной плотностью тока по сечению пучка.

С другой стороны, разряд с полым катодом обладает рядом характерных свойств, важных для таких областей физики, как спектроскопия и лазерная физика.

Интересно, что в настоящее время ведутся также и теоретические исследования, направленные на оптимизацию различных характеристик разряда. Например, в статье Никулина, опубликованной в ЖТФ за 2000 год, рассмотрено влияние магнитного поля на однородность плазмы внутри полого катода. А в работа этого же автора за 1999 год посвящена особенностям горения разряда с катодами разных длин.

Один из важных вопросов, возникающих в таких исследованиях - это выяснение влияния геометрии катода на распределение тока по его поверхности. В частности, интересно узнать как зависит плотность тока на боковую и торцевую части цилиндрического полого катода от его размеров.

Для полого катода, образованного двумя плоскопараллельными пластинами подобная задача рассматривалась в статье Ф.И.О. в журнале технической физики за 2000 год.

В данной работе рассмотрено влияние длины полого катода на вольт-амперную характеристику тлеющего разряда.

А теперь подробнее.
(1-я прозрачка)

На этом рисунке показана схема экспериментальной установки. Газовый разряд происходит между анодом и катодом, расположенным внутри стеклянной трубки.

Особенность установки заключается в том, что длина катодного цилиндра может меняться. Как это делается?

Торец катода изолирован от боковой поверхности и при помощи магнита может перемещаться внутри трубки.

Таким образом, в ходе эксперимента можно непрерывно менять длину полости, проходя все режимы горения разряда: от случая двух плоских электродов до длинного полого катода.

Катодный цилиндр изготовлен из стальной сетки. Его максимальная длина составляет 15 см.

Разряд происходил в аргоне при давлении 10-2 Torr.

Так как нас интересуют вольт-амперные характеристики, то несколько слов о том, как они были получены.
(2-я прозрачка)

На этом рисунке изображена электрическая схема установки.

Перемещающийся торец катода и его боковая поверхность заземлены через 70-омные сопротивления, напряжение с которых подается на вход Y самописца. Потенциал анода контролируется при помощи делителя из двух сопротивлений - 100 Мом и 15 кОм. На горизонтальный вход самописца выводится напряжение с резистора в 15 кОм.

Погрешность измерения токов в исследуемом диапазоне составляет 15%, напряжений между электродами - 20%; она складывается из погрешности самописца и ошибки в значениях сопротивлений.
(на этом рисунке более подробно изображен коллектор, т.е. подвижный торец катода)

Перейдем к результатам экспериментов.
(3-я прозрачка)

На этом графике показаны вольт-амперные характеристики боковой поверхности катода при различных длинах полости (по горизонтальной оси - напряжение между катодом и анодом в вольтах, по вертикальной - ток на цилиндрическую поверхность катода в мА).

Из графика видно, при сокращении длины полости наклон характеристик сначала уменьшается плавно, когда длина катода еще достаточно велика и когда длина полости становится приблизительно в два раза больше ее диаметра, вольт-амперные характеристики качественно изменяются.

В случае, когда длина катода равна или меньше его диаметра, значительная часть быстрых электронов покидает полость, не успев израсходовать свою энергию на ионизацию газа внутри катода. Эффект полого катода ослабляется и разряд переходит в высоковольтную стадию, что сопровождается резким падением тока.
(4-я прозрачка)

На этом графике показана зависимость плотности тока на рабочую поверхность катодного цилиндра от длины полости при постоянном напряжении. Здесь хорошо видно, что для плотности тока на катод существует некоторая оптимальная область максимальной плотности тока, где длина полости в два раза больше ее диаметра.

Для максимальной длины катода экспериментальные вольт-амперные характеристики сравнивались с теорией, изложенной в работе Метеля в ЖТФ за 1985год. На этом рисунке показаны теоретические кривые при различных коэффициентах ионно-электронной эмиссии и экспериментальная зависимость. С учетом того, что катод сетчатый расчетные значения удовлетворительно согласуются с экспериментом.
(5-я прозрачка)

Рассмотрим теперь вольт-амперные характеристики для подвижного торца катода.

На этом графике изображены зависимости тока на коллектор (вертикальная ось) от напряжения между электродами (горизонтальная ось). Здесь так же как и для боковой поверхности катода, в области малых длин полости L при уменьшении длины катода ток возрастает. Это поведение коллекторного тока лучше всего видно на другом рисунке.
(6-я прозрачка)

Здесь показана характерная зависимость тока на подвижный торец катода (вертикальная ось) от длины полости, отложенной по горизонтальной оси, при постоянном напряжении. В этом случае, также как и для плотности тока на боковую поверхность, наблюдается максимум при длине катода приблизительно равной двум его диаметрам.

В области малых длин катода наблюдаемый спад характеристик связан, по видимому, с ослаблением эффекта полого катода. Для больших L при уменьшении длины полости ток на торец возрастает. Это объясняется тем, что в длинном катоде максимум плотности ионного тока наблюдается ближе к аноду.

Выводы.

При постоянном напряжении между электродами в режиме тлеющего разряда с полым катодом зависимость плотности тока на боковую поверхность и торец полого катода от длины полости имеют максимум при длине катода приблизительно в два раза большим его диаметра.