Содержание к диссертации
Введение 5
1. Динамические и эмиссионные характеристики катодных
пятен в вакуумном дуговом разряде (литературный обзор) 13
Введение 13
Динамика катодных пятен на свободной ртути 15
Динамика фиксированного катодного пятна на ртути 18
Динамика катодных пятен в сильноточном разряде
на твёрдых металлических катодах 23
1.5. Динамика одиночных катодных пятен во внешнем
магнитном поле 29
Ретроградное движения катодных пятен 33
Энергетическое распределение ионов в катодной
струе '. 39
Угловое распределение ионного потока 41
Моделирование катодной струи 43
1.10. Постановка задачи 44
2. Экспериментальные исследования динамических характеристик
катодных пятен на ртутном катоде
2.1. Динамика фиксированного катодного пятна
в предельных режимах
Экспериментальный макет и методика эксперимента 45
Экспериментальные результаты 46
Обработка и обсуждение результатов 52
Динамика катодных пятен на свободной ртути 62
Выводы 66
3. Динамические характеристики катодных пятен на
твёрдых катодах в сильноточном разряде
3.1. Экспериментальная установка. 68
3.1.1. Вакуумная установка , 68
3.1.3. Внешняя магнитная система....... .....г 69
3.2. Динамика пятен в сильноточном разряде
Экспериментальные макеты 70
Методика эксперимента 73
Расчёт собственного магнитного поля разряда
на поверхности катода 75
3.2.4. Обработка экспериментальных результатов 77
3.3. Сильноточный разряд в аксиальном магнитном поле 91
3.4.Динамика катодных пятен при высокой скорости нарастания тока...96
3.5. Обсуждение результатов и выводы 102
4. Динамические характеристики катодных пятен
во внешнем магнитном поле.
Экспериментальный макети методика измерений 104
Экспериментальные результаты 111
Экспериментальные измерения тока на трек 112
Обсуждение результатов и выводы 115
5. Исследование характеристик плазменного потока с катода.
5.1.Экспериментальные измерения углового распределения
ионного потока
5.1.1.Экспериментальная установка 120
Схема измерения зондового тока 122
Расчёт пространственного распределения ионного потока 123
4
5.1.4. Экспериментальные результаты 128
5.2. Моделирование плазменной струи
Система уравнений 138
Результаты расчётов 142
5.3. Обсуждение результатов и выводы 150
Заключение . 151
Приложение Ш.....::.. .......—.;....;......... .........154
Приложение П2 157
Приложение ПЗ 163
Литература
Введение к работе
Электрический дуговой разряд относится к числу открытых физических явлений природы, нашедших своё широкое применение раньше достигнутого приемлемого теоретического объяснения и уже одно это наилучшим образом характеризует его перспективность. Вследствие многогранности полезных свойств и простоте условий эксплуатации дуговой разряд занял и удерживает ключевые позиции в ряде отраслей науки и техники в качестве основного инструмента или технологического процесса [1]. Вакуумная дуга как разновидность дугового разряда, обладающая рядом уникальных свойств, тем не менее, получила применение несколько позже, после технологических достижений в материаловедении, получении и контроле высокого вакуума [2,3,4]. В настоящее время вакуумный разряд используется в таких аппаратурных и технологических направлениях как: вакуумные коммутаторы силовой энергетики, вакуумные управляемые разрядники, плазмохимические и плазменные напылительные установки, ионные источники для модификации свойств материалов, двигатели космических аппаратов, в генераторах рентгеновских и электронных пучков [2-9].
Коммутаторы с ртутным катодом по характеристикам разряда также можно отнести к классу вакуумных приборов. Долголетие этих приборов связано со свойствами ртутного катода: легкостью возбуждения катодного пятна, практически неограниченной эмиссией и неизнашиваемостью. Разработка и совершенствование коммутаторов типа игнитрон и экситрон было обусловлено широким использованием их в преобразовательной технике и импульсном сварочном производстве. Дальнейшее развитие приборов с ртутным катодом в наибольшей степени было связано с инженерными проблемами управляемого термоядерного синтеза, в том числе и лазерного, магнитоимпульсной и электрогидравлической обработкой материалов, а также некоторыми специальными приложениями. В результате в нашей стране и за рубежом были
б разработаны разрядники на уровень токов 200-ЗООкА и напряжение 10-50кВ [10]. И в настоящее время игнитронные разрядники остаются вне конкуренции в области коммутации больших мощностей. Однако, достигнутый уровень оказался недостаточен с точки зрения перспектив применения, и актуальным является разработка коммутаторов на токи до 106А, со скоростью нарастания 109А/с и выше и коммутируемым количеством электричества до ЮООКл [11, 12]. Разработка таких приборов требует существенного изменения основ конструирования, которые в свою очередь немыслимы без глубокого понимания физики сильноточного разряда, поскольку с повышением уровня коммутируемых токов выше ЮОкА обнаружился ряд факторов снижающих необходимый ресурс. Наиболее серьёзные из них: большое падение напряжения в режиме коммутации тока, эрозия анода под действием анодных пятен, разрушение поджигающего устройства из-за неконтролируемого поведения канала разряда. В работе [12] предложен ряд направлений исследований которые, по мнению авторов, позволят повысить характеристики приборов. Одно из них заключается в применении катода с фиксированным пятном, который имеет ряд преимуществ; контроль зоны эмиссии, уменьшение межэлекродного зазора, снижение падение напряжения и вероятности появления анодной нестабильности, повышение деионизационных характеристики, при этом сохраняя наиболее важное свойство ртутного катода - неизнашиваемость. Такие катоды использовались в специальных типах сильноточных коммутирующих приборов [10]. Однако характеристики таких катодов по предельной плотности тока и динамике катодной зоны не исследованы.
Несмотря на неоспоримые преимущества, приборы с ртутным катодом обладают и специфическими недостатками: узким температурным рабочим диапазоном, требованием определённой пространственной ориентации, существенным периодом деионизации т.е. непригодны для работы на частотах коммутации 10 Гц и выше. Вакуумные коммутаторы с
холодным твёрдым катодом не имеют подобных недостатков и, кроме того, обладают важным преимуществом - высоким рабочим напряжением изоляции. Разработаны отечественные вакуумные разрядники на коммутируемый ток до 170кА и количество электричества за импульс ЮОКл [13]. Повышение характеристик разрядников такого типа заключается в разработке устройств инициирования с высокими пусковыми характеристиками, снижении эрозии электродов, и обеспечение ресурса 106 импульсов и более. В свою очередь для этого необходимы экспериментальные данные по: динамике катодных пятен на твёрдых катодах в широком диапазоне параметров импульса тока, в том числе и при воздействии магнитного поля сложной конфигурации, взаимодействию катодных струй с электродами. Частично, эти проблемы существуют и для другого класса приборов - вакуумных размыкателей.
Реализация плазменных технологических процессов в вакууме открывает качественно новые возможности в технологии обработки и получения материалов. Источники плазмы на основе вакуумно-дугового разряда имеют в настоящее время два наиболее важных применения, - в установках для получения плёночных покрытий с высокими адгезионными свойствами и в качестве эмиссионных узлов ускорителей ионов [5-8, 14]. Они разделяются по режиму работы на источники постоянного и импульсного действия. Источники постоянного тока работают в режиме одиночного катодного пятна (КП), имеют довольно узкий диапазон производительности, поскольку ток дуги ограничен снизу устойчивостью КП (для тугоплавких электродов это 200-300А), а сверху переходом в режим интенсивного плавления катода, с привязкой пятен к границам фаз и резким увеличением капельной фракции в плазменной струе. Использование внешнего магнитного поля совместно позволяет частично повысить характеристики и ресурс работы. Импульсные источники позволяют получать плотности потока плазмы на один два порядка больше, чем источники постоянного действия. Кроме того, при реализации
s
частотно-импульсного режима питания обеспечивается регулировка
параметров в широких пределах. Однако источники такого типа имеют
низкий ресурс, в основном из-за узла инициирования, поскольку
конструируются обычно без учёта свойств КП и, прежде всего их
динамики. Анализируя существующую ситуацию, следует отметить, что
проблема увеличения ресурса работы импульсных источников плазмы,
может быть решена при обеспечении равномерности износа катода и
повышения ресурса и надежности срабатывания узла инициирования. В
работе [15] предложена конструкция импульсного источника плазмы паров
металлов с большой поверхностью катода реализующая динамические
свойства КП. Существенный недостаток присущий напылительным
установкам на основе вакуумно-дугового разряда заключается в наличии в
плазменном потоке капельной фракции, ограничивающей применимость
метода. Использование магнитных сепараторов, типа
четвертьтороидальных систем, заметно снижает производительность установки [14]. Поиск новых способов сепарации и эффективного управления процессом требует проведения исследований взаимодействия импульсных плазменных потоков с магнитными полями сложной конфигурации.
Таким образом, для упомянутых выше устройств сильноточной электроники направление исследований вакуумного разряда практически совпадают. Это - динамика катодных пятен, катодные потоки плазмы, их пространственно-временное распределение, состав и энергетические распределения компонент, взаимодействие плазменных потоков с магнитными полями, взаимодействие их с электродами, условия образования анодных пятен. Иными словами свойства и характеристики вакуумного дугового разряда с холодным катодом и небольшими межэлектродными расстояниями в доминирующей степени определяются приэлектродными процессами вакуумного разряда.
В числе фундаментальных направлений исследований физики электрического разряда в газах низкого давления и вакууме, исследование катодного пятна вот уже в течение целого столетия занимает весьма заметное место. Тем не менее, проблема ещё далека от завершения, несмотря на проделанный объём теоретических и экспериментальных исследований. Связано это как с пространственно временными характеристиками пятна, так и с критическими параметрами плазмы для имеющихся методов диагностики. Таким образом, накопление экспериментальных результатов одновременно с расширением круга исследуемых материалов катода и условий эксперимента является актуальной задачей не только для практических приложений, но и для фундаментальных исследований по теории катодного пятна.
Цель работы.
Диссертационная работа посвящена исследованиям динамики эмиссионной зоны и характеристик плазменного потока с катодных пятен в сильноточных импульсных вакуумных разрядах на твёрдых катодах из чистых металлов, а также жидком ртутном и с фиксацией катодного пятна.
Научная новизна.
Впервые экспериментально исследована динамика катодных пятен на линии фиксации Mo-Hg в диапазоне токов до 120кА и скоростях нарастания до 109А/с. Показано, что скорость удлинения линии фиксации зависит не только от величины мгновенной линейной плотности тока, но и от скорости нарастания тока. Определена предельная скорость удлинения линии фиксации в системе HgMo равная (2.7+0.3)-105см/с (скорость одного края 1.3-105см/с), а также предельная плотность тока фиксации -(1.5-5-2)- 103А/см.
Экспериментально измерены зависимости скорости ретроградного движения катодных пятен от тангенциального магнитного поля с индукцией 0,002-гО,15Тл в сильноточном разряде для ряда твёрдых катодов из Ті, V, Mo, Sn, Zn, Pb, Cu, Al, W, Та, Li. Для V, Sn, Zn, Al, W, Та, Li такие измерения проделаны впервые. Для других металлов исследования проведены в более широком интервале магнитного поля и повышена точность результатов за счёт большого массива измерений и применения статистических методов обработки результатов. Экспериментально показано, что в сильноточном разряде при скорости нарастания тока менее 108А/с динамика пятен определяется только мгновенным значение индукции магнитного поля и материалом катода. При скоростях нарастания тока более 10 А/с обнаружено её существенное влияние на скорость ретроградного движения пятен. Измеренный для титанового катода в диапазоне 108-г109А/с коэффициент увеличения скорости в линейном приближении равняется (2,5+0,3)* 10*7м/А.
Для титанового катода исследована динамика пятен при дополнительном наложении на сильноточный разряд аксиального магнитного поля с индукцией до 0,06Тл. Показано, что с ростом магнитного поля снижается подвижность пятен до участка насыщения скорости, но величина скорости насыщения остается постоянной. Кольцеобразная структура пятен преобразуется в круговую, со сплошным заполнением пятнами и наблюдается снижение тока на пятно и групповое вращение пятен в зависимости от направления поля.
Экспериментально измерены зависимости скорости ретроградного движения катодных пятен от внешнего тангенциального поля с индукцией до 0,15Тл для катодов А1, Си, Мо и тока на пятно в диапазоне 50-500А. Обнаружено, что с ростом тока на пятно растёт подвижность пятен, а скорость приближается к общей скорости насыщения. Показана
11 идентичность динамики катодных пятен в сильноточном разряде и во внешнем магнитном поле.
Экспериментально измерены угловые распределения суммарного потока плазмы с катода (С, А1, Ті, Pb) в сильноточном разряде при токах до 2-г5кА и кольцеобразном расширении эмиссионной зоны. Показано, что профиль распределения определяется током разряда, размером эмиссионной области, и материалом катода.
Научно-практическая значимость работы. Экспериментально получены данные по подвижности катодных пятен на холодном катоде для ряда металлов, в том числе для ртутного катода с фиксированным пятном в широком диапазоне разрядных условий. На основе этих результатов предложены формулы для расчёта размеров катода мощных коммутаторов и разрядников, а также для других различных устройств электронной техники в зависимости от параметров импульса тока, материала катода и внешнего магнитного поля.
Результаты исследований по динамике плазменных потоков применимы для разработки импульсных методов и устройств напыления однородных покрытий большого диаметра.
На защиту выносятся:
Для фиксированного катодного пятна в системе MoHg, обнаружены предельная скорость расширения и предельная плотность тока определяющие динамические и токовые характеристики данного типа катода.
Экспериментальные зависимости скорости ретроградного движении катодных пятен от индукции магнитного поля на чистых металлических катодах в сильноточном импульсном разряде, без магнитного поля и при наложении внешнего аксиального магнитного поля. Установлено, что данные зависимости имеют нелинейный вид и определяются материалом
катода, величиной индукции внешнего магнитного поля и скоростью нарастания тока.
Экспериментальные зависимости скорости одиночных катодных пятен от величины внешнего тангенциального магнитного поля и тока на пятно. Обнаружено, что существуют значения тока группового пятна, определяемые материалом катода и индукцией внешнего магнитного поля, при котором групповое катодное пятно обладает максимальной подвижностью и устойчивостью. Снижение тока уменьшает подвижность, а увеличение приводит к делению группового пятна.
Экспериментальные данные и результаты компьютерного моделирования углового распределения плазменного потока в импульсном разряде.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на: Всероссийских конференциях по физике низкотемпературной (ФНТП-95 Петрозаводск) и (ФНТП-98 Петрозаводск), Российской научно-техническая конференции " Новые материалы и технологии" (Москва, 1997), V- Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск 1984), V-Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979), XVIII-международном симпозиуме по разряду и электрической изоляции в вакууме (Эйндховен 1998), 1- международном конгрессе по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск 2000), ХХ-международном симпозиуме по разряду и электрической изоляции в вакууме (Тур 2002).
