Работа посвящена экспериментальному определению влияния длины цилиндрического полого катода на вольт-амперную характеристику газового разряда в аргоне при давлении 810-2 мм. 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 ≈ 520 В 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 0,01. Дано качественное объяснение полученных результатов.
В
ведение
В настоящее время в связи с разработкой ионных и кластерных источников [10, 12] ведутся работы по исследованию физики газового разряда в системе с полым катодом. Интерес представляют работы по генерации однородной плазмы в тлеющих разрядах низкого давления с полым катодом, направленные на создание ионных источников с равномерной плотностью тока по сечению пучка. Имеются как теоретические [3, 4, 11], так и экспериментальные [1, 13] работы. Возникают вопросы, относящиеся к оптимизации характеристик разряда от различных параметров, в том числе и от геометрии. При оптимизации ионных источников важно знать распределение плотности тока по поверхности полого катода в зависимости от его геометрии. В частности, интересно выяснить, как зависит плотность ионного тока на поверхность катода от его длины.
В данной работе рассмотрено влияние длины полого катода на вольт-амперную характеристику (ВАХ) разряда в аргоне.
Теоретическая часть
Тлеющий разряд с полым катодом
В литературе как наиболее полное дается следующее определение: полым катодом называется катод, имеющий отрицательную кривизну рабочей поверхности [8]. Для нашей работы будет достаточно другого, более простого определения: полым катодом называется отрицательный электрод, имеющий полость, связанную с промежутком между электродами. Отличительной чертой данного разряда или, как говорят, эффектом полого катода является большая величина тока, протекающего через разряд, по сравнению с системой с плоскими электродами, имеющей геометрические размеры того же порядка.
Рассмотрим особенности возникновения и развития разряда в системе с полым катодом. В первый момент возникает тлеющий разряд между анодом и передней стенкой катода как в случае с плоскими электродами. Затем по мере увеличения напряжения на аноде светящийся столб разряда проникает в отверстие катода. Примерная картина распределения потенциала электрического поля изображена на рис. 1, а. Внутри катода образуется положительный столб разряда. Формируется система, напоминающая коаксиальные электроды.
Э
лектроны под действием поля начинают осциллировать около центральной части катода. Часть этих электронов вылетает из полости катода через отверстие в крышке в анодные области разряда, ионизируя и возбуждая молекулы газа в промежутке между анодом и катодом (рис. 1, б).
Влияние геометрии полого катода на характеристики разряда.
Основной особенностью разряда с полым катодом является осцилляция электронов, которая возникает из-за наличия внутри катода потенциальной ямы. При рассмотрении картины поля до возникновения разряда можно увидеть, что частично линии поля проникают внутрь катода и симметрично расходятся от центра, подходя к внутренней поверхности катода под прямым углом. Это распределение поля и обеспечивает многократное колебательное движение электрона, прежде чем он достигнет выходного отверстия в крышке или рекомбинирует. Для положительных ионов данное поле образует потенциальный барьер, поэтому после проникновения в катод они либо вступают в рекомбинацию, либо падают на боковую поверхность и основание катода.
При изменении геометрии катода мы меняем конфигурацию распределения потенциала (или, проще говоря, форму потенциальной ямы) внутри него.
Можно отметить, что при увеличении длины катода условия возникновения разряда должны изменятся все слабее, и в пределе при достаточно большой длине будут оставаться постоянными. Это следует из того, что поле проникает в катод на определенную глубину и может не достигать основания катода (разумеется, поле меньше определенной минимальной величины не рассматривается). При горении разряда некоторые другие факторы его поддержания тоже должны выходить на насыщение. Например, при достаточно большой длине катода все нерекомбинировавшие ионы упадут на боковую поверхность, расположенную близко к входному отверстию. Значит, вторичная эмиссия возникнет только на указанной поверхности и не будет зависеть от длины катода.
Когда длина катода настолько мала (диаметр выходной апертуры считаем равным диаметру катода), что электроны не успевают совершать колебания внутри полости и уходят на анод, эффект полого катода ослабевает и разряд протекает как в случае системы с плоскими электродами.
Э
кспериментальная часть
Описание экспериментальной установки
Внешний вид экспериментальной установки и тлеющего газового разряда показан на рис. 2, 3.
Н
а рис. 4 представлен схематический чертеж разрядного устройства. 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 (34
1) мм, изготовленный из стальной немагнитной нержавеющей сетки с диаметром проволоки 0,2 мм и размером ячейки 0,8
0,8 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. 5) изготовлен из латуни. Диаметр его обращенной к аноду металлической части равен 30 мм.
Э
лектрическая схема установки представлена на рис. 6. 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.
Результаты измерений
ВАХ сетки
Для L = 15,5 8 см при плавном увеличении напряжения между электродами Ud сразу после пробоя газового промежутка ток на сетку Iс (
см. рис. 7.) устанавливался в пределах 2 2,5 мА. Х
арактерная для всех L из этого диапазона часть ВАХ, соответствующая переходу разряда в высоковольтную стадию, реализуется при токах 0,5 2 мА и была получена уменьшением напряжения генератора ниже пробойного. Толщина линий, получающихся при многократном снятии ВАХ, для L = 0,7 2 см, а также для L = 6 15,5 см примерно соответствует толщине линий на рис. 5, 6. Поэтому, о погрешности измерений можно судить по толщине экспериментальных кривых на рисунках. При L = 2,5 3,5 см показания самописца изменялись со временем (по оси X со скоростью ~ 30 В/мин) в направлении указанном стрелкой. На рис. 7 для диапазона значений L = 2,5 3,5 см приведены характерные кривые, получающиеся при быстром (~ 5 сек) увеличении Ud.
ВАХ коллектора
Для длин катода из диапазона 7 15,5 см ток на коллектор Iк, устанавливавшийся сразу после пробоя, был настолько мал, что самописец его не регистрировал. Лишь при L = 2 5 см начальное значение Iк стало существенным — 100 200 мкА (рис. 8). Загибающиеся вперед нижние части ВАХ (рис. 9) для этих L были получены так же, как и в предыдущем случае — уменьшением Ud ниже пробойного.
ВАХ рис. 9 снималась с неизвестным смещением по X. Оба графика (рис. 8 и рис. 9.) были получены с интервалом в несколько минут, поэтому при определении нуля оси X на рис. 9 использовалось минимальное Ud, вычисленное по ВАХ рис. 8.
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/см2.
Полученное в [6] выражение для плотности катодного тока имеет вид
(1)
Рис. 9. Вольт-амперная характеристика разряда при различных L. P = 810-2 мм. рт. ст. По оси X – напряжение между электродами, по оси Y – ток на коллектор
Рис. 10. Теоретические ВАХ (серые линии) и экспериментальная кривая при L = 15,5 cм (темная линия)
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 
3,4 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. 10.
Из рисунка видно, что лучше всего теоретическая кривая согласуется с экспериментом при 
0,013. 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.
Это противоречие может быть устранено, если учесть, что катод сетчатый. В этом случае ионы бомбардируют поверхность металла под углами в большинстве меньшими 900, 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, важны оба фактора, а вероятность P выше, чем 0,44. количество ионов компенсируется углом их падения.
Кроме того, в теоретической модели пренебрегается потерями быстрых электронов через выходную апертуру полости. Это еще несколько завышает расчетное значение тока.
Рассмотрим теперь вольт-амперные характеристики для коллектора. На рис. 8 показан общий вид этих характеристик. На рис. 9 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. 11.
График зависимости тока на коллектор от длины полости при постоянной разности потенциалов между электродами Ud = 520 В представлен на рис. 12.
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 ≈ 520 В зависимость тока на коллектор от L имеет максимум в диапазоне отношений длины катода к его диаметру 2 3.
Литература
1. А. С. Метель. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом // ЖТФ, 1984, т. 54, № 2, с. 241 – 247.
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 // М.: Энергия, 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. С. П. Никулин // 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.
14. Н. В. Гаврилов, Д. Р. Емлин, С. П. Никулин. Генерация однороднойплазмы в тлеющем разряде с полым анодом и широкоапертурным полым катодом // ПЖТФ, 1999, том 25, вып. 12.
урнал «Физика и Студенты» http://psj.nsu.ru/