Диссертация (1149790), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Первые классические эксперименты с полым катодом использовалидве электрически соединенные параллельные пластины в качестве катодавместе с отнесенным на расстояние внешним анодом [104]. Отличительной77особенностью такой конфигурации является так называемый “эффект пологокатода”, когда при сближении катодных пластин наблюдается скачокразрядного тока. Объяснение данного эффекта было дано в [5], где былопоказано, что принципиальную роль здесь играет нелокальная ионизациябыстрыми электронами.

Полые катоды, благодаря своим уникальнымсвойствам, нашли широчайшие применение в различных областях науки итехники, а разряды с полым катодом исследовались едва ли не больше, чемклассический тлеющий разряд в плоскопараллельной конфигурации (см.[104], а также работы [4,5] и ссылки в них).Другим, в значительно меньшей степени исследованным, примеромразряда, в котором нелокальная ионизация является основным механизмомобразования заряженных частиц, служит разряд с сетчатым анодом. Впервыеподобныеконфигурациииспользовалисьвэлектронныхпушках–устройствах, позволяющих генерировать пучки электронов [105]. Не разотмечалось, что ускорение электронов в катодном слое тлеющего разряда посвоему характеру схоже с формированием пучка электронов, а плазмаотрицательного свечения представляет собой плазму, создающуюся иподдерживаемую пучком электронов [106].

По этой причине тлеющемуразряду как потенциальному источнику пучка электронов уделялось особоевнимание.Эффективность генерации пучка электронов в аномальном тлеющемразряде растет с напряжением на электродах. При достаточно высокихзначениях разрядного тока катодный слой становится узким, и электроныпроходят его, почти не испытав неупругих соударений. На границе слойплазма тогда получается моноэнергетический пучок с энергией порядказначения катодного падения потенциала. При средних давлениях газа(порядка единиц и десятков Торр) формирование моноэнергетического пучканачинается с напряжений порядка 1 кВ.78Простейшим способом извлечения пучка электронов из разряднойобласти тлеющего разряда является использование плоскопараллельнойконфигурации электродов с сетчатым анодом.

Подобная конфигурация былавпервые предложена в [6]. В работе разряд рассматривался в целяхиспользования для накачки лазеров среднего давления. Было предложеноназывать подобный разряд “открытым”, в том смысле, что электродырасполагались на малом расстоянии друг от друга, обеспечивая условия длязатрудненного разряда (произведениеветвикривойПашена),и,pdчтобыв котором соответствовало левойизвлекатьпучокэлектродовизмежэлектродной области, анод «открывался», т.е. представлял собой сетку.

Втакой конфигурации электродов ускоряющиеся в катодном слое электронымогли проникать сквозь сетку анода в пространство за анодом. Такимобразом удавалось получать пучок электронов с высокой степеньюэффективности.История исследования открытого разряда и самого термина «открытыйразряд» достаточно противоречива. Поскольку назначение подобного разрядарассматривалось как сугубо прикладное, основные его исследования носилиэкспериментальныйхарактерибылинаправленынаувеличенияэффективности генерации пучка электронов и на расширение диапазонарабочих давлений и типов газов.

По-видимому, этим объясняется малоечисло экспериментальных данных касательно свойств образующейся в такомразряде плазмы (см., например, [107]). В то же время, изначальноутверждалось, что механизмом самоподдержания открытого разряда являетсяфотоэмиссия с поверхности катода в результате облучения светом,поступающим из плазмы в пространстве за анодом сквозь анодную сетку.Данное обстоятельство не раз подвергалось сомнению и послужило основойдля продолжительной дискуссии [7, 27, 28].

В итоге против фотоэлектроннойприроды открытого разряда был приведен ряд весомых аргументов [108].79Однако, несмотря на это, в ряде последующих работ, в том числе и недавних,вновь постулировалось обратное [27,28].Таким образом, сложилась противоречивая ситуация. С одной стороны,разряд получил название «открытый» из-за конфигурации электродов, и оноподразумевает под собой наличие анодной сетки, сквозь которую электронымогли бы попадать в пространство за анодом. С другой стороны, в ходеисследованийразрядавысоковольтнымтермин(зачастую«открытый»сталимпульсным)ассоциироватьсяразрядом,смеханизмомсамоподдержания которого является фотоэмиссия электронов с поверхностикатода и который характеризуется высокой степенью эффективностиформирования пучка электронов (последнее свойство в работе [28]преподносилось как главный аргумент в пользу фотоэлектронной природыоткрытого разряда).

Поэтому вопрос классификации разряда и возможностиего отнесения к отдельной группе остается открытым (для того, чтобы невдаваться в дискуссию по этому поводу, здесь будет использоваться название«разряд постоянного тока с сетчатым анодом»).Относительнонедавнопоявилсярядработ,посвященныхисследованию генерации пучков электронов в разряде, схожем с открытымразрядом, однако использующим диэлектрическую прослойку междуэлектродами[111-114].Ванодеивдиэлектрическойпрослойкепросверливалось отверстие, в котором, при приложении напряжения,образовывался катодный слой и происходило ускорение электронов иформирование электронного пучка (одно отверстие – предельный случайанодной сетки).

Отметим, что предложенная конфигурация электродов схожасмикрополымкатодом,исследовавшимсявработах[109,110]ирассматривающийся как один из перспективных источников плазмывысокогодавления.Вотличиеот[109,110]ограничивались высоким напряжением (1 кВ и выше).80исследованияразрядаТак, в работах [113,114] отмечается, что исследование формированияпучков в открытом разряде ограничивалось импульсным режимом, иисследований непрерывного режима генерации не проводилось. В связи сэтим в указанных работах проведены попытки построения модели разрядапостоянного тока с сетчатым анодом.

Отметим, что указанные работыявляются одними из немногих, где проводится моделирование подобногоразряда (можно отметить численное моделирование открытого разряда в[115], однако как описание модели, так и представленные в ней результатымалоинформативны). Использованный в работах подход основывается намодели Энгеля-Штеенбека, согласно которой при достаточно высокихплотностях тока толщина катодного слоя принимает конечное значение иперестает меняться, потому при теоретическом описании в [113,114] онаиспользовалась в качестве внешнего параметра.

Ионизационные процессы вкатодном слое рассматриваются на основе приближения локального поля сиспользованием ионизационного коэффициента Таунсенда для описанияскорости ионизации, вкладом ионов, приходящих на катод из плазмы впространстве за анодом при этом пренебрегается. В работе [113] приведеныосновные теоретические выкладки, в то время как в работе [114]рассматривается вопрос необходимости учета нагрева газа при описанииразряда с сетчатым анодом. Предложенные модели во многом упрощенные,поскольку очевидно, что в разряде в пространстве за анодом будетпроисходить значительная ионизация. Поэтому использование приближениялокального поля и пренебрежение приходом ионов из области плазмыявляются сомнительными.В целом, результаты исследования разряда с сетчатым анодом,используемымдлянемногочисленны.эффективностьюгенерациипучкаэлектронов,Экспериментальныегенерациипучкавпротиворечивыиработыограничиваютсядостаточноспецифическихконфигурациях разрядной камеры.

Теоретические исследования используют81приближение локального поля и пренебрегают вкладом ионов, приходящихиз плазмы, в самоподдержание разряда. Такое положение можно отчастиобъяснить прикладной направленностью проводившихся исследований(эффективности генерации лазеров).С другой стороны, в последнее время особое внимание уделяетсятехнологиям создания плазмы большого объема.

Во многом интересобусловлен необходимостью проведения экспериментальных исследованийраспространения электромагнитных (ЭМ) волн в плазме, а именно срешением двух задач – исследования и поиска путей устранения нарушенийкоммуникации с космическим аппаратом, входящим в верхние слоеатмосферы (“reentry blackout phenomena”), и развития технологии созданияплазменных покрытий, способных поглощать электромагнитные волны вшироком диапазоне частот и скрывать летательный объект от радаров.Для проведения экспериментальных исследований прохождения ЭМволн сквозь плазму было предложено использовать цилиндрическуюразрядную камеру с коаксиальными сетчатыми электродами, имеющимизначительный диаметр (порядка 15 см) [29,30]. Во внутренней областиразрядной камеры в гелии при давлении 50-100 Па создавалась плазма путемподачи переменного напряжения мощностью до 2 кВт с частотой 20 кГц.

Наосновеанализаинтенсивностисвеченияплазмыбылосделанопредположение о равномерном распределении концентрации заряженныхчастиц по всему разрядному объему. Данное утверждение впоследствииподверглось сомнению в [116], поскольку при рассматриваемых давленияхопределяющим механизмом гибели заряженных частиц является их уход настенки в режиме амбиполярной диффузии, и поэтому плазма не может бытьоднородна.В работах [16,17] были проведены предварительные исследованияпараметров плазмы в коаксиальной конфигурации электродов.

Былопроведено численное моделирование разряда с помощью расширенного82гидродинамического подхода, в ходе которого было получено изменениепространственныхконцентрацийраспределенийзаряженныхосновныхчастиц,параметровэлектрическогоразряда–потенциалаитемпературы электронов. Было показано, что концентрация плазмы в разрядевыходит на квазистационарные значения спустя относительно короткоевремя, порядка нескольких миллисекунд (~100 периодов источника).Сопоставление результатов расчетов с данными зондовых измерений далохорошее согласие, что вызывает некоторые сомнения в использованном вработе оборудовании и методики обработки зондовых кривых. Очевидно, чточастота в 20 кГц слишком мала, чтобы классифицировать разряд каквысокочастотный (типичная частота для высокочастотных разрядов – 13.56МГц), и поэтому по своим свойствам он должен быть схож с тлеющимразрядомпостоянноготока.Конфигурацияэлектродов–малоемежэлектродное расстояние и наличие сетки – предполагает, что плазма вцентрекамерыобразуетсяврезультатеионизацииэлектронами,ускоренными в катодном падении потенциала.

Поэтому ожидается, чтотемпература электронов должна была бы быть сопоставима с характернымизначениями для плазмы отрицательного свечения (доли электронвольт).Однако результаты зондовых измерений показали значения порядка 3 эВ,аналогичнорезультатамрасчетовсиспользованиемрасширеннойгидродинамической модели, одним из основных недостатков которойявляется завышение температуры электронов в плазме отрицательногосвечения.Очевидно, что рассмотренная в работах [16,17,29,30] конфигурацияразрядной камеры близка к разряду с сетчатым анодом, а используемыенапряжения относительно невысоки. Поэтому рассматриваемый здесь разрядлежит вне области значений параметров, типично использующихся пригенерации пучков электронов. В то же время для оценки пропускания ипоглощения ЭМ волн плазмой принципиальную важность имеют (в отличие83от случая использования разряда в качестве источника пучка электронов)пространственныераспределенияосновныхпараметров,такихкакэлектростатический потенциал и концентрация заряженных частиц.

Характеристики

Список файлов диссертации