Диссертация (Исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с неоднородной поверхностью электродов в газоразрядных приборах), страница 7

Сплошные линии – H f = 10 нм, штриховые – H f = 0Из него следует, что при увеличении j и обусловленном этим увеличенииU c и энергий бомбардирующих катод частиц происходит быстрый рост эффек-тивного коэффициента распыления и его компонент из-за возрастания энергийионов и атомов. При этом присутствие на катоде оксидной пленки заметно47уменьшает его величину (примерно на 20% в случае H f =10 нм), что должноприводить к снижению интенсивности распыления катода и, соответственно, кувеличению его долговечности.Выводы к главе 21. Предложена модель катодного слоя тлеющего разряда при наличии накатоде тонкой диэлектрической пленки. Наряду с ионно-электронной эмиссиейс катода, модель учитывает также эмиссию электронов из металлической подложки катода под действием электрического поля, возникающего в пленкевследствие накопления на ней поверхностного заряда при ионной бомбардировке в разряде.2.

Показано, что наличие пленки толщиной порядка 10 нм приводит к заметному снижению катодного падения напряжения разряда, возрастающемупри увеличении толщины пленки.3. Рассчитаны энергетические распределения бомбардирующих катодионов и атомов. Их них следует, что при уменьшении коэффициента ионноэлектронной эмиссии и увеличении плотности разрядного тока энергии бомбардирующих катод частиц существенно возрастают. Это обусловливает быстрый рост коэффициента распыления катода с увеличением плотности разрядного тока, который, однако, заметно снижается при наличии на катоде оксиднойпленки.4. Установлено, что при расчете распыления в тлеющем разряде электродов газоразрядных приборов, содержащих оксиды щелочноземельных металлов, необходимо учитывать влияние на характеристики разряда полевой эмиссии электронов из присутствующих на их поверхности тонких оксидных пленок.48ГЛАВА 3.

РАСЧЕТ ДИНАМИКИ РАЗОГРЕВА КАТОДАС ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛЕНКОЙ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕВ дуговых газоразрядных приборах, таких как осветительные лампы, приотсутствии устройства предварительного нагрева электродов невозможномгновенное возникновение дугового разряда [4,7,89]. После подачи напряженияна электроды в них сначала зажигается тлеющий разряд, для которого катодноепадение напряжения составляет 100-200 В, а основным механизмом эмиссии скатода электронов, необходимых для поддержания разряда, является ионноэлектронная эмиссия [1,90].

Через некоторое время температура катода в результате его нагрева потоком тепла, поступающего из катодного слоя разряда[91,92], достигает значений, при которых возможна термоэлектронная эмиссия,и разряд переходит в дуговой [93,94] с катодным падением напряжения 10-20 В[1]. Поэтому одно из направлений усовершенствования таких приборов состоитв уменьшении промежутка времени до возникновения в них дугового разряда.В ряде работ [95-99] установлено, что тлеющий разряд может переходить вдуговой разряд при неразогретом катоде в случае достижения значений напряженности электрического поля у его поверхности порядка 109 В/м, что приводит к возникновению полевой эмиссии с катода и, как следствие, к значительному возрастанию разрядного тока в отсутствие термоэмиссии.

В разряде с металлическими электродами это возможно при достаточно высоких давленияхрабочего газа, превосходящих 104 Па [95,96], или при наличии на поверхностиэлектродов рельефа, обеспечивающего существенное усиление электрическогополя на его вершинах [97-99]. Однако начальное давление газа во многих приборах достаточно мало [4,7,89], а шероховатость электродов уменьшается в течение срока их службы из-за распыления ионами [100,101].Фактором, облегчающим зажигание дугового разряда, является такженаличие на электроде диэлектрических включений, и в частности, оксидныхпленок [102-106]. В процессе бомбардировки пленки ионами происходитнакопление на ней положительного заряда, приводящее к возникновению впленке электрического поля, достаточного для появления полевой эмиссии из49металлической подложки электрода [35]. Эмиттированные электроны ускоряются в пленке полем в направлении ее внешней поверхности и, достигая ее,нейтрализуют положительный поверхностный заряд, в результате чего устанавливается стационарный режим разряда.

При этом часть электронов преодолевает потенциальный барьер на границе пленки и выходит в разрядный объем,увеличивая эффективный коэффициент эмиссии электрода. В результате возрастает разрядный ток, увеличивается скорость разогрева электрода, и разрядбыстрее переходит в дуговой.Расчеты динамики перехода тлеющего разряда в дуговой выполнялись вработах [25,26] лишь для случая металлического катода. Теоретические же исследования влияния на этот процесс диэлектрических включений на катоде донастоящего времени не проводились, в то время как электроды дуговых лампобычно содержат оксиды щелочно-земельных металлов в качестве эмиссионного вещества [4,7,89].В данной работе предложена модель, позволяющая рассчитать характеристики катодного слоя тлеющего разряда и температуру катода при наличии наего поверхности тонкой диэлектрической пленки, а также исследовано ее влияние на переход разряда в дуговую форму.3.1.

Модель катодного слоя разряда, учитывающая нагрев катода,при наличии тонкой диэлектрической пленки на его поверхностиПусть на поверхности электрода, выполняющего в разряде функции катода, находится тонкая диэлектрическая пленка толщины H f . В результате бомбардировки катода ионами, ускоряемыми в катодном слое разряда, плотностьтока которых равна ji , с его поверхности происходит эмиссия электронов,называемая вторичной ионно-электронной эмиссией, с плотностью токаje i   i ji , где  i - коэффициент ионно-электронной эмиссии.

При этом на по-верхности пленки накапливается положительный заряд, в результате чего впленке возникает электрическое поле с напряженностью E f и при достижении50ею величины порядка 109 В/м начинается полевая электронная эмиссия из металлической подложки в пленку, плотность тока которой определяется формулой Фаулера - Нордгейма [35,81]:2 Es Ef ,ja  js exp(E,)fc EEf s(3.1)где c  m   d - высота потенциального барьера на границе подложки и пленки, m - работа выхода подложки,  d - электронное сродство материала пленки, js и Es - параметры, зависящие от c , ( E f , c ) - табулированная в [81]функция.

Эмиттированные электроны достигают внешней границы пленки инейтрализуют поверхностный заряд, а их небольшая доля  f выходит из пленки, создавая дополнительный электронный ток с плотностью je a   f ja . Величина  f в условиях, характерных для тлеющего разряда низкого давления,имеет порядок 10-1 [41,84], причем, согласно [35,41,84], при малых толщинахпленки порядка 10-8 м она растет с увеличением H f . Это объясняется увеличением энергий электронов на внешней границе пленки, что обусловливает возрастание вероятности их выхода из нее.Нагрев катода потоком тепла, поступающего из катодного слоя разряда, додостаточно высокой температуры Tc приводит с течением времени к появлению термоэлектронной эмиссии с его поверхности с плотностью тока, задаваемой формулой Ричардсона - Дэшмана [1]: eje t  AtTc2 exp   d kTc,(3.2)в которой At - константа, зависящая от материала катода, d - работа выходапленки, k - постоянная Больцмана.В результате, плотность полного электронного тока с поверхности катодаравнаje  je i  je a  je t   s ji , где s   i   a   t , причем a  je a jiи t  je t ji , а плотность разрядного тока равна j  ji  je  (1   s ) ji .

Напряжен-51ность электрического поля в пленке E f в установившемся режиме разрядаопределяется из условия равенства полной плотности тока на поверхностипленки и плотности тока полевой эмиссии из подложки (1   s ) ji  ja .Уменьшение же концентрации рабочего газа в катодном слое в результатеего нагрева может быть учтено путем введения эффективного давления p согласно соотношению p  p0T0 / Tc [91,107], где p0 - давление газа при начальной температуре T0 .Связь между плотностью ионного тока ji и величиной катодного падениянапряжения разряда U c задается соотношением [26]:jiKU c3/2,p 2 ( pdc )5/21/2где K  4 0  ep c / M i (3.3),  с - длина перезарядки иона в газе, d c - ширина ка-тодного слоя разряда, e и M i - заряд и масса иона, 0 - диэлектрическая постоянная.В самостоятельном разряде выполняется условие поддержания разряда [1],которое, если считать ось z направленной по нормали к поверхности катода,имеет видdc1(z)dzln1,s 0(3.4)где ( z )  Ap exp   Bp E ( z )  - ионизационный коэффициент рабочего газа,E ( z )  2U c z d c2 - напряженность электрического поля в катодном слое, A и B -постоянные для данного рода газа.Для стабилизации горения разряда в его цепь включается балластное сопротивление R [4], поэтому, так как падение напряжения на столбе разряда достаточно мало, плотность разрядного тока определяется уравнениемUc  U f  R S j  U0 ,(3.5)52где U 0 - приложенное внешнее напряжение, U f  E f H f - падение напряженияна пленке, S - площадь части поверхности катода, занятой разрядом.Считая, что все тепло, выделяемое при протекании тока в катодном слоеразряда, поглощается катодом [26], размеры катода достаточно малы, так чторазряд заполняет всю его поверхность, а температура Tc во всем его объеме Vодинакова, можно записать уравнение теплового баланса катода, определяющееизменение его температуры с течением времени, в видеcV dTc ji S U c (1   s )  U i  (1   s )d   Tc4 S ,dt(3.6)где U i - потенциал ионизации атома газа, c ,  и  - теплоемкость, плотность иизлучательная способность материала катода,  - постоянная СтефанаБольцмана.Уравнения (3.3) - (3.6) вместе с соотношениями (3.1), (3.2) образуют замкнутую систему для величин Tc , U c , d c , ji .3.2.