Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ Неустойчивые режимы разрядов низкого давления. Литературный обзор 14
1.1. Пучково-плазменный разряд 14
1.2. Тлеющие разряды 22
1.3. Высокочастотные разряды 23
1.4. Механизмы эмиссии 24
1.5. Возникновение на В АХ разрядного промежутка участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением 27
ГЛАВА ВТОРАЯ Экспериментальная установка и средства диагностики 33
2.1. Экспериментальная установка 33
2.2. Диагностические средства установки ПР-2 36
2.2.1. Экспериментальная конструкция коллекторной системы. 44
2.2.2. Измерение параметров автоколебаний 46
ГЛАВА ТРЕТЬЯ Экспериментальное и численное исследование ВЧ-автоколебательных режимов пучково-плазменного разряда .48
3.1. Физико-математическая модель неустойчивого
плазменно-поверхностного взаимодействия и развития ВЧ- автоколебаний 48
3.1.1. Плазменно-поверхностный контакт как нелинейный элемент автоколебательной системы 48
3.1.2. Механизмы эмиссии и мгновенная ВАХ 52
3.1.3. Математическая модель несамостоятельного автоколебательного вторично-эмиссионного разряда 57
3.1.4. Метод фазовой плоскости. Классификация устойчивых и неустойчивых состояний 61
3.1.5 Диаграмма устойчивости разрядной системы с N-образной ВАХ 69
3.1.6. Релаксационные высоковольтные колебания 77
3.1.7. Квазигармонические колебания 82
3.2. Низкочастотный (высоковольтный) автоколебательный разряд при наличии внешней индуктивности 84
3.2.1. Способы регулирования параметров автоколебаний 88
3.2.2. Учет инерции ионов 89
3.2.3. Увеличение мощности автоколебательной системы 94
3.3. Высокочастотные колебания на собственной резонансной частоте разрядного канала 97
3.3.1. Учет вихревой составляющей электрического поля в приэлектродном слое 98
3.3.2. Импеданс канала. Учет индуктивности и сопротивления плазмы разрядного канала 100
3.3.3. Разрядная система и математическая модель высокочастотного АВЭР на собственной резонансной частоте 105
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ Автоколебательные разряды повышенной мощности. Переход в режим самостоятельного разряда 112
4.1. Собственные колебания АВЭР в приближении коаксиальной линии 112
4.2. Колебания геликонного типа 119
4.3. Формирование высоковольтных импульсов 121
4.4. Переход из несамостоятельного в самостоятельный режим 124
4.5. Способы запуска самостоятельного ВЧ-автоколебательного разряда 128
4.6. Двухконтурная схема автоколебательной системы 129
4.7. Вторично-эмиссионные неустойчивости периферийной
плазмы в магнитных ловушках 132
Заключение 136
Список литературы
- Высокочастотные разряды
- Экспериментальная конструкция коллекторной системы.
- Плазменно-поверхностный контакт как нелинейный элемент автоколебательной системы
- Формирование высоковольтных импульсов
Введение к работе
Взаимодействие плазмы с контактной поверхностью электродов и стенок является важнейшим аспектом физики газовых разрядов и изучается уже много лет. Вопросы, связанные с плазменно-поверхностным обменом энергией, веществом и электрическими зарядами, имеют большое значение в таких областях физики плазмы, как термоядерные и космические исследования, плазменная электроника и плазменные технологии. Эти вопросы довольно полно исследовались и теоретически и экспериментально, но, тем не менее, многие особенности приэлектродных и приповерхностных процессов остаются недостаточно изученными, и развитые к настоящему времени модельные представления не всегда согласуются с наблюдаемыми экспериментально эффектами.
Структура и динамика дебаевских слоев объемного заряда (ДС), возникающих при контакте плазмы с поверхностью конденсированного вещества, является предметом особенно интенсивных исследований, поскольку именно они в значительной мере определяют работу газоразрядных устройств, а также влияют на процессы в установках для магнитного удержания плазмы. Широкий диапазон экспериментальных условий и самосогласованность многих нелинейных процессов в плазме, веществе и граничных слоях приводят к большому многообразию эффектов на границе плазмы и твердого тела, влияющих на генерацию и перенос заряженных частиц. Достаточно полно исследованы условия образования катодных пятен и униполярных дуг, связанных с локальным перегревом и термоэмиссией контактной поверхности. Соответствующая данному процессу вольт амперная характеристика (ВАХ) имеет нелинейный S-образный характер (неоднозначный по напряжению), присущий
ключевым элементам электрической цепи. В данной работе рассмотрена неустойчивость электрического контакта между неравновесной плазмой и поверхностью с повышенной вторично-эмиссионной способностью. Мгновенная ВАХ подобного контакта имеет N-образный характер (неоднозначный по току), присущий генераторным и триггерным элементам. Экспериментально такая вторично-эмиссионная (или динатронная) неустойчивость может проявляться в автогенерации мощных как регулярных, так и стохастических электромагнитных колебаний, а также отдельных импульсов. Соответствующие условия могут возникать во многих газоразрядных системах низкого давления, в периферийной области магнитных ловушек, в том числе и при проведении зондовых измерений. С динамическими по вторично-эмиссионному механизму ДС могут быть связаны некоторые особенности аномальных переносов и значительное увеличение (на порядки величины) мгновенного значения падения потенциала в приэлектродном слое по сравнению с его усредненным значением или значением, характерным для стационарного ДС. Возбуждение автоколебаний происходит зачастую неожиданно и существенным образом изменяет работу устройств, стимулируя пробои, ухудшая удержание плазмы и воспроизводимость результатов, поэтому экспериментаторы обычно стараются избегать таких режимов. Систематические исследования процессов, лежащих в основе данной неустойчивости, практически не проводились. Между тем, их изучение позволит развивать методы контроля устойчивости ДС, а также использовать широкие возможности автоколебательных режимов для генерации и ускорения заряженных частиц.
Цель работы состояла:
в исследовании механизма положительной обратной связи,
ответственного за генерацию электромагнитных колебаний при
неустойчивом плазменно-поверхностном взаимодействии,
в исследовании условий перехода от стационарного к
неустойчивому по вторично-эмиссионному механизму режиму
протекания тока между плазмой и контактной поверхностью,
в разработке математической модели для расчета параметров
автоколебаний,
в разработке принципов стабилизации неустойчивости и
управления параметрами электромагнитных автоколебаний,
в исследовании влияния ВЧ-автоколебаний на
пространственные и временные распределения параметров
плазмы в разрядном объеме,
в разработке автоколебательных методов нагрева и ускорения
плазменных и ионных потоков.
Научная новизна работы заключается в том, что
выявлены физические основы автоколебательного вторично-
эмиссионного разряда (АВЭР) - особой формы газового разряда,
которая сопровождается авто генерацией мощных
электромагнитных колебаний в разрядной цепи и сочетает свойства пучково-плазменного и ВЧ-емкостного разрядов, построена диаграмма устойчивости разрядов с N-образноЙ ВАХ,
впервые проведено исследование вторично-эмиссионной неустойчивости с генерацией ВЧ-автоколебаний на собственной резонансной частоте плазменно-поверхностного контакта,
впервые получена и исследована самостоятельная сильноточная форма высокочастотного автоколебательного разряда с противофазной работой холодноэмиссионных катодов, впервые экспериментально показано, что контактная поверхность в автоколебательном режиме взаимодействия с плазмой приобретает мгновенный потенциал, который может превышать стационарный плавающий потенциал в сотни и тысячи раз (для положительных и отрицательных импульсов).
Научная и практическая ценность
Результаты работы могут быть использованы
при создании автоколебательных импульсных и резонансных
систем ускорения для получения высокоэнергетичных ионных
потоков,
при разработке газоразрядных генераторов электромагнитных
колебаний широкого диапазона частот и быстродействующих
переключающих устройств,
при создании высокоэффективных источников плазменных
потоков
в исследованиях аномальных пристеночных переносов в
системах магнитного удержания плазмы.
На защиту выносятся:
методика оценки устойчивости разрядной системы с N-
образной ВАХ по вторично-эмиссионному механизму;
методика расчета параметров электромагнитных
автоколебаний;
принцип генерации противофазных высокочастотных электромагнитных колебаний в плазменном канале и при электрод ном слое при неизменных потенциалах на электродах;
механизм генерации высоковольтных импульсов напряжения в динамических дебаевских слоях при индуцированном изменении проводящих и вторично-эмиссионных свойств контактных поверхностей;
принцип использования автоколебательной системы для
нагрева плазмы и ускорения ионных компонентов;
положение о том, что вторично-эмиссионный
автоколебательный разряд является особой формой самостоятельного сильноточного разряда. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
30 Европейская конференция по физике плазмы и УТС, Санкт-Петербург, Россия, июль 7-11,2003.
XVI международная конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2003)" 25-29 августа 2003г. Звенигород.
XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 24 - 28 февраля 2003.
XI конференция по физике газового разряда. Рязань 2002.
III, IV российские семинары "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" Москва, МИФИ, (2001, 2003).
Научные сессии МИФИ, 2001, 2003, 2004гг.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 142 страницах, содержит 32 рисунка и список литературы из 75 наименований.
}
Краткое содержание диссертации
В первой главе проводится анализ публикаций по неустойчивостям при электродных слоев (ДС) для различных типов разрядов низкого давления, в которых присутствует группа высокоэнергетичных электронов, и возможна генерация электромагнитных автоколебаний по вторично-эмиссионному механизму и рассматриваются также некоторые механизмы эмиссии электронов.
Во второй главе описываются экспериментальная установка с пучково-плазменным разрядом (ППР) в продольном магнитном поле ПР-2 и средства диагностики, использованные в экспериментах.
В третьей главе приводятся результаты экспериментального и численного исследования ВЧ-автоколебательных режимов пучково-плазменного разряда на основе разработанной физико-математической модели неустойчивого плазменно-поверхностного взаимодействия. В ней содержится описание физических условий и процессов, приводящих к появлению N-образной ВАХ плазменно-поверхностного контакта и также рассматриваются различные механизмы увеличения выхода вторично-эмиссионных электронов с учетом зонной структуры, полевого усиления эмиссии, эффекта "горячих" электронов. Приводятся расчеты мгновенной ВАХ для некоторых структур с модельными функциями распределений по энергиям электронов и ионов плазмы. Описывается диаграмма устойчивости разрядной системы.
В четвертой главе рассматривается мощные самостоятельные автоколебательные вторично-эмиссионные разряды (АВЭР), в которых высокоэнергетичная группа электронов, необходимая для возникновения на ВАХ участка отрицательного дифференциального
сопротивления (ОДС), формируется и поддерживается за счет высокой вторичной эмиссии, а также под воздействием высокочастотных полей в приэлектродных слоях и разрядном канале.
Приводится описание экспериментов с самостоятельным АВЭР
в геометрии Пеннинга при противофазном, синфазном и
стохастическом автоколебательном режимах работы
холодноэмиссионного (автоколебательного) катода.
Обсуждается применение АВЭР для генерации
высокочастотных электромагнитных колебаний, плазменных
потоков, а также резонансного и импульсного ускорения ионов.
Рассмотрены схемы эффективных автоколебательных генераторов плазмы на собственной резонансной частоте в режимах коаксиальной линии и плазмозаполненного резонатора.
В заключении представлены выводы и основные результаты диссертационной работы.
Список публикаций по теме диссертации
М. Акел, И.В. Визгалов, С.К. Жданов. Пучково-плазменный разряд в режиме ВЧ-автогенерации электромагнитных колебаний. М.: МИФИ / препринт, 010-2000, 2000.-28с.
М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев.
Применение ВЧ-автоколебательного разряда для ускорения ионов. Научная сессия МИФИ, 2001, Т.4, с. 77.
3. М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев.
Встраиваемый масс-анализатор время пролетного типа для плазме нно-пучковой установки ПР-2. Материалы III российского семинара "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" Москва, МИФИ, 29-30 ноября 2001, с. 40-42.
М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев. Автоколебательный ВЧЕ разряд при постоянном напряжении на электродах. XI конференция по физике газового разряда. Рязань 2002. Тезисы докладов, часть 1, с. 94-96.
М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев. Плазменно-поверхностный ВЧ-генератор электромагнитных колебаний. Инженерная физика 3. 2002. с. 49-54.
М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев, В.И. Смирнов. Вторично-эмиссионный механизм усиления и генерации электромагнитных колебаний в газовом разряде низкого давления. Девятая научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». Материалы конференции, секция «Электрофизические процессы в вакууме», Украина, Судак, Сентябрь 2002. с. 219-222.
7. М. Акел, И.В. Визгалов.
Генерация положительных высоковольтных импульсов наносекундного диапазона в ВЧ-автоколебательном разряде. Научная сессия МИФИ-2003, Т. 4, с. 117-118.
8. М. Акел, И.В. Визгалов.
Генерация отрицательных высоковольтных импульсов в ВЧ-автоколебательном разряде. Научная сессия МИФИ-2003, Т. 4, с. 113-114.
9. М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев.
Генерация ВЧ электромагнитных колебаний и высоковольтных импульсов в неустойчивых приэлектродных слоях. XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и У ТС, 24 — 28 февраля 2003 г.
10. М. Akel, I.V. Vizgalov, V.A. Kumaev.
Observation of a plasma surface instability in a linear edge plasma simulator. 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St Petersburg, Russia, July 7-11,2003. P-3, 180.
M. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев. Вторично-эмиссионный механизм генерации ВЧ электромагнитных колебаний и высоковольтных импульсов при плазменно-поверхностном взаимодействии. Материалы XVI международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2003)" 25-29 августа 2003г. Звенигород, том 2, с. 296-299.
М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев.
Генерация высоковольтных импульсов напряжения в неустойчивых дебаевских слоях. Материалы 10 научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». Украина, Судак, 2003г. Т. 2, с. 339-342.
s*
13. М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев.
Генерация высоковольтных импульсов напряжения при неустойчивом плазменно-поверхностном взаимодействии. Известия Академии Наук, серия физическая, 2004, том 68, № 3, с. 435-437.
14. М. Акел, И.В, Визгалов, В.А. Курнаев.
Метод автоколебательного зонда для диагностики неравновесной плазмы. Материалы IV российского семинара "современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" Москва, МИФИ, 12-14 ноября 2003» с. 165-166.
М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев. Вторично-эмиссионный автоколебательный разряд на частоте собственного резонанса. Научная сессия МИФИ-2004, Т. 4, с. 103-104.
М. Акел, И.В. Визгалов, В.А. Курнаев. Высокочастотный автоколебательный генератор плазменных потоков для комплексной обработки материалов. Научная сессия МИФИ-2004.
М. Акел, И.В. Визгалов, С.К. Жданов.
Моделирование ВЧ-автогенерации электромагнитных
колебаний в разряде с N-образной ВАХ. Научная сессия МИФИ-2000, Т. 4, с. 64. 18. М. Акел, И.В. Визгалов, С.К. Жданов.
Анализ устойчивости поверхностно-плазменного взаимодействия в ВЧ-автогенерирующих разрядах. XXVII Звенигородская конференция по физике плазмы и У ТС. Сборник аннотации, с. 196,2000 г.
Высокочастотные разряды
Обстоятельное исследование свойств тлеющего разряда было начато в работах М.Фарадея, продолжено в работах многих поколений ученых и сыграло выдающуюся роль в развитии не только молекулярно-кинетической теории строения вещества, но и квантовой механики — основы всей современной физики.
Тлеющий разряд - это электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамической неравновесностью и квазинейтральностью, возникающей в разрядной плазме [6,24,25,26,27]. Эффективная температура электронов существенно выше температуры газа и электродов. Термоэмиссия практически отсутствует (электроды холодные). Свое название разряд получил из-за наличия около катода так называемого тлеющего свечения. Благодаря свечению газа тлеющий разряд нашел широкое применение в лампах дневного света, различных осветительных приборах.
При использовании полых катодов картина разрядных явлений резко изменяется. Такой разряд называется разрядом с полым катодом (РПК) [6,7]. Исторически полыми были названы все неплоские катоды с отрицательной кривизной или состоящие из отдельных поверхностей (включая и плоские), ограничивающих часть пространства газоразрядного прибора и создающих полость. Главной особенностью РПК является эффект полого катода (ЭПК), заключающийся в том, что при прочих равных условиях ток при заданном напряжении оказывался больше, чем в случае использования плоского катода, и резко возрастал при уменьшении межэлектродного расстояния, когда области отрицательного свечения (ОС) у противоположных катодов перекрываются и темное фарадеево пространство исчезает. 1.3. Высокочастотные разряды
Под высокочастотным обычно понимают используемый в разрядной практике диапазон частот 1-100 МГц. Все виды ВЧ разрядов можно разбить на две большие группы, различающиеся способами возбуждения ВЧ поля в разрядном объеме: индукционные и емкостные [8,18,28,29].
Индукционные методы возбуждения разряда основаны на использовании явления электромагнитной индукции, в результате чего линии возбужденного электрического поля оказываются замкнутыми, а само поле-вихревым. При емкостном способе ВЧ напряжение от генератора подается на электроды. Линии электрического поля начинаются и заканчиваются на них, а поле является с большой степенью точности потенциальным.
По ряду причин практика реализации разрядов сложилась таким образом, что индукционный способ, как правило, используют для поддержания ВЧ разряда при высоких давлениях. Важнейшей областью применения индукционных ВЧ разрядов является создание чистой плотной низкотемпературной равновесной плазмы типа дуговой с давлением р=\ атм. и температурой Т=10000К. Индукционный ВЧ разряд используется для производства тугоплавких сверхчистых материалов, абразивных порошков и др. Емкостный способ применяют для поддержания ВЧ разрядов при средних и низких давлениях. Плазма при этом получается слабо ионизированной, неравновесной, как плазма тлеющего разряда. ВЧ разряды среднего давления нашли важнейшее применение для возбуждения С02 -лазеров, а ВЧ разряды низкого давления - для ионного воздействия на материалы и другой плазменной технологии [14,15]. К группе емкостных разрядов следует отнести и так называемый одноэлектродный или факельный разряд. В этом случае в явной форме присутствует только один электрод, на которой и подают ВЧ напряжение. Около него зажигается разряд, который имеет вид плазменного факела.
Если каким-либо образом, например нагреванием, освещением тела светом, электронной бомбардировкой и т.д., электронам твердого тела сообщить достаточную дополнительную энергию или создать у поверхности твердого тела сильное электрическое поле, то некоторая часть электронов приповерхностного слоя (наиболее быстрые) будет эмитироваться в вакуум.
Эмиссия электронов, вызываемая бомбардировкой тел электронами, называется вторичной электрон-электронной эмиссией (ВЭЭ). Налетающие на поверхность твердого тела электроны называются первичными, а электроны, эмитируемые поверхностью, вторичными. При этом вторичные электроны могут вылетать из тела не только со стороны поверхности, на которую падают первичные электроны, но - при определенных условиях - и с его обратной стороны. В первом случае говорят о ВЭЭ «на отражение», во втором -«на прострел». Исследования ВЭЭ представляют исключительный интерес для понимания динамики приэлектродных слоев и электрического разряда в целом, а также для изучения структуры поверхности твердого тела.
Экспериментальная конструкция коллекторной системы.
Для более точного определения р Ленгмюр разработал метод эмиссионного зонда. Конструкция зонда дорабатывается таким образом, чтобы к его контактной части в виде проволочки из тугоплавкого материала было можно подводить ток накала для разогрева до температуры эмиссии электронов. В этом случае при и 9Р эмиссионные электроны заперты и не оказывают влияния на
ВАХ. При отрицательном смещении потенциала за счет эмиссии зондовый ток резко спадает и меняет знак. Поэтому плавающий потенциал эмиссионного зонда имеет близкое значение к потенциалу плазмы. Для более точного определения р снимают две зондовые характеристики - в горячем и холодном состоянии зонда. Точка их расхождения и соответствует р . Зондовый метод применим с некоторыми модификациями и для измерений параметров плазмы в магнитном поле [44,45]. Наложение внешнего магнитного поля на плазму вносит в задачу анизотропию: заряженные частицы, вращаясь по циклотронным траекториям, двигаются вдоль магнитных силовых линий. Скорости частиц вдоль и поперек поля могут заметно отличаться: один и тот же сорт заряженных частиц может иметь разные температуры Г, и Г... Кроме того, эффективная длина свободного пробега поперек поля оказывается порядка ларморовского радиуса, поэтому коэффициенты переноса поперек поля значительно меньше, чем вдоль. Критерием степени влияния внешнего магнитного поля Н является радиус
Лармора ре= , где 3 - скорость частицы, со„- циклотронная частота. Отсюда следует, что ионный ларморовский радиус больше электронного в ZM/m раз, траектории электронов претерпевают большие изменения, чем траектории ионов. Соответственно, когда ларморовский электронный радиус ре меньше размера зонда гр, как это часто бывает, для электронов зонд находится в т.н. «замагниченном» режиме. Поток электронов является существенно одномерным, и эффективной площадью собирания цилиндрического зонда для электронов является его проективная площадь Sproj=2lxD (/ - длина зонда, D - его диаметр), которую пересекают силовые линии магнитного поля. В противоположность этому, ионы при р, гр относительно мало подвержены упомянутым выше факторам, и выражение для бомовского тока (2.1) остается справедливым и им можно пользоваться для определения плотности плазмы с вполне приемлемой точностью. Это подтверждают многочисленные измерения плотности плазмы в магнитных ловушках с помощью независимых диагностических методик.
В переходной части зондовой характеристики (участок В), при достаточно больших отрицательных напряжениях, когда отбор электронов мал, график зависимости 1п(1е) от и при максвелловском распределении электронов по скоростям должен остается линейным, т.к. наложение поля не меняет термодинамического равновесия в выбранном направлении. Полученную таким образом температуру, следует интерпретировать, как Т//,
Наиболее сильное влияние магнитное поле оказывает на участок С. Абсолютная величина электронного тока существенно уменьшается и появляется зависимость от приложенного напряжения, т.е. электронный ток насыщения отсутствует. К сожалению, удовлетворительной теории на этот случай не существует. Имеются лишь некоторые качественные решения, позволяющие оценить величину электронного тока при небольшом положительном потенциале. Экспериментально обнаружено, что в присутствии магнитного поля форма вольт-амперной характеристики начинает отклоняться от простой экспоненциальной зависимости при напряжениях, незначительно превышающих плавающий потенциал.
Кроме того, отношение электронного тока насыщения к ионному значительно уменьшается и составляет порядка 10. В частности обнаружено, что электронный ток увеличивается более медленно в области выше плавающего потенциала, и этот эффект связан с истощением источников электронов вдоль силовой трубки. Данное истощение происходит из-за слабой диффузии электронов поперек магнитного поля. Поэтому электронная температура, определяемая по выражению (2.4), в этой области ВАХ искусственно завышается по отношению к ее действительному значению, и это отклонение увеличивается по мере приближения к точке перегиба ВАХ.
Плазменно-поверхностный контакт как нелинейный элемент автоколебательной системы
Представим небольшой (по сравнению с поперечными размерами разрядного канала) торцевой зонд, встроенный в заземленный коллектор ППР. Малое сечение зонда и характерная для пучково-плазменных разрядов сравнительно большая поперечная диффузия электронов за время продольного движения позволяют предполагать, что изменение потенциала зонда мало возмущает плазму, и его влиянием на параметры разряда можно пренебречь. Слой объемного заряда считаем бесстолкновительным как и в модели ленгмюровского зонда. В дополнение к этой модели необходимо учесть вторичную эмиссию под действием высокоэнергетичной группы электронов и ускоренных в слое ионов. Для удобства разделим, как это обычно делается при описании ППР, функцию распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в разрядном канале на две части. К первой части отнесем пролетные электроны первичного пучка с плотностью щ. ФРЭЭ этой части электронного компонента на входе в разрядный канал соответствует инжектируемому моноэнергетическому потоку с током I/ и имеет вид 5-функции. В результате пучково-плазменного взаимодействия она существенно уширяется и приобретает вид, описываемый функцией f{e) t которая с хорошей точностью может быть измерена или рассчитана теоретически.
Вторая ионизационная (или тепловая) группа электронов образуется в результате взаимодействия первичного потока с газом. Можно считать, что для этой группы устанавливаются динамически равновесные температура Те и плотность пг. В АХ зонда в области отрицательных смещений потенциала для простой одномерной модели движения частиц будет иметь вид:
Потенциал зонда и отсчитывается от потенциала плазмы, который в описываемой разрядной системе обычно близок к потенциалу камеры. Интегральное выражение описывает эмиссионную составляющую тока, обусловленную ВЭЭ за вычетом тока первичных электронов. Составляющая 1е соответствует хаотическому току тепловой группы электронов. Электроны этой группы имеют малую энергию и не дают вторичной эмиссии. Поэтому для вывода 1е(и), как и в теории зонда Ленгмюра, можно воспользоваться больцмановским распределением плотности электронного компонента плазмы в потенциальном электрическом поле слоя объемного заряда. площадь контактной поверхности. ионный ток V лт насыщения, который можно представить с помощью известного выражения Бома (2.1).
Мгновенная В АХ, таким образом, полностью определяется функцией распределения электронов по энергиям, вторично-эмиссионными коэффициентами а(є) у(є) плотностью разрядной плазмы, а также геометрическими размерами. Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением согласно (3.1) может появиться на В АХ между а и у ветвями при а» \ м наличии надтепловой группы электронов. Некоторую роль могут играть другие виды эмиссии: под действием жесткого излучения и быстрых нейтральных частиц.
В реальной системе определенные коррективы в расчетную В АХ может вносить магнитное поле. В описываемой разрядной системе оно перпендикулярно контактной поверхности. С одной стороны, касательное падение по сравнению с нормальным дает более высокое значение сг, увеличивая эмиссионный ток. С другой стороны, тормозящее электрическое поле в слое действует только на продольную составляющую скорости электронов, дополнительно увеличивая крутизну падающего участка ВАХ. На рис.3.2 показаны примеры расчетных ВАХ. Упрощенная модель по формуле (3.1) качественно правильно описывает наблюдаемые в экспериментах вольт-амперные характеристики.
Необходимо также учитывать, что при больших отрицательных смещениях ионная бомбардировка может изменить свойства поверхности [49]. Кроме того, при значительных плотностях вторично-эмиссионного тока и малых мгновенных напряжениях на приемной пластине для правильного описания а-ветви, соответствующей переходу от электронного насыщения в режиме сбора к режиму эмиссии, необходим учёт ограничения эмиссионного тока объемным зарядом электронов вблизи поверхности (т.е. мгновенное распределение потенциала в приэлектродном слое может быть немонотонным).
Максимальная частота возбуждаемых колебаний тока в цепи (в пределе плазмозапол ненного СВЧ резонатора) будет определяться предельной скоростью обратной связи, т. е. минимальным временем установления тока согласно выражению (3.1) в ответ на быстрые изменения потенциала поверхности. В это время следует включить длительность прохождения надтешювыми электронами тормозящего слоя объемного заряда Г/, а также среднее время выхода вторичных электронов из приповерхностных слоев холодно-эмиссионного катода г2 т1 "опРеДеляется толщиной слоя объемного заряда и уменьшается с ростом плотности плазмы. В типичных экспериментальных условиях АВЭР это время составляет менее Ю 1! -10 10с, т2 для е-е эмиссии существенно меньше, и его можно пока не принимать в расчет, во всяком случае, при умеренных потоках первичных электронов, пока не начинают сказываться коллективные эффекты при взаимодействии электронов в поверхностном слое диэлектрической пленки.
Формирование высоковольтных импульсов
Их амплитуда и длительность определяются энергией, запасенной а индуктивности фильтра источника постоянного питания. Как показывают оценки и прямые эксперименты, этот эффект не связан с распылением и осаждением высоко-эмиссионных диэлектрических пленок, поскольку при рабочих параметрах соответствующие характерные времена составляют единицы секунд, т.е. на 3-4 порядка больше наблюдаемых периодов следования высоковольтных импульсов. Можно предположить, что разрыв разрядной цепи связан с резким снижением эмиссионного тока с поверхности холодного катода. Это возможно, если в условиях увеличивающихся встречных потоков быстрых электронов из плазмы и электронов проводимости из металла (материала катода) поверхностная диэлектрическая пленка приобретает индуцированные проводящие свойства. При этом коэффициент вторичной эмиссии должен существенно снизиться за счет дополнительного рассеяния вторичных электронов на электрон-дырочных парах, генерируемых в приповерхностном слое пленки.
Генерация ВЧ автоколебаний и высоковольтных импульсов по описанному механизму может наблюдаться и без внешнего источника питания - только за счет присутствия высокоэнергетической группы электронов в плазменном потоке, направляемом на изолированный электрод. В этом случае энергия надтепловых электронов преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, а сильнонеравновесная плазма охлаждается. Подобные колебания, при определенных условиях, могут наблюдаться в периферийной плазме токамака, например, в виде ELM (edge localized modes), которые сопровождаются генерацией электромагнитных колебаний в мегагерцевом диапазоне, ростом коэффициентов переноса, сбросом значительной энергии плазмы на контактные системы [71,72,73].
Для практического использования эффекта ВЧ-автогенерации представляет интерес повышение как общей, так и удельной мощности с переходом в самостоятельный ВЧ-автоколебательный режим разряда, когда можно исключить из конструкции разрядной системы автономную электронную пушку и термоэмиссионный катод. Для реализации такого режима необходимо, чтобы ВЧ-автогенерирующий электрод перекрывал все сечение разряда (или его значительную часть). В этом случае он играет роль высокоэффективного холодно-эмиссионного катода, и уже нельзя пренебрегать его влиянием на параметры разрядной плазмы, а, следовательно, и на ВАХ,
Рассмотрим некоторые возможные механизмы взаимной связи параметров плазмы с ВАХ разряда. Следует различать мгновенную (динамическую) и усредненную (статическую) ВАХ. Усредненная ВАХ, измеряемая по постоянным составляющим разрядных тока и напряжения за времена, значительно превышающие характерные времена колебательных и переходных процессов, в несамостоятельном режиме разряда имеет скачок тока при достижении максимума на динамической ВАХ и возбуждении автоколебаний. Далее разрядный ток монотонно возрастает с напряжением. На мгновенной ВАХ падающий участок в самостоятельном автогенерирующем разряде становится еще более выраженным. Более того, реконструкция мгновенной ВАХ по осциллограммам тока и напряжения указывает на возможность значительного роста (до 10А и выше) максимума тока в области смещений коллектора порядка десятка вольт и появления локального минимума в области 150-200В. Значение тока в минимуме может даже изменить знак. Такое поведение ВАХ качественно можно объяснить увеличением (по сравнению с несамостоятельным разрядом) надтепловой группы электронов, происхождение которых связано с эмиссией электронов при значительных отрицательных смещениях потенциала катода, т.е. при прохождении изображающей точки на фазовый траектории высоковольтной области восходящего участка у-ветви. Напомним, что амплитуда колебаний потенциала катода существенно превышает среднее напряжение (постоянную составляющую Фурье-спектр) и может составлять несколько кВ. В этой фазе колебаний реализуется режиме работы катода в высоковольтном тлеющем разряде.
Инжектированные катодом сильно модулированные во времени пучки быстрых электронов, с одной стороны, участвуют в пучково плазменным взаимодействии и поддерживают повышенный динамически равновесный уровень ионизации. С другой стороны, в результате рассеивания и взаимодействия со стационарными и переменными коллективными полями высокоэнергетичные электроны могут частично возвращаться на катод. Таким образом, высокоэнергетичная группа электронов может поддерживаться в разрядном объеме автоматически (без внешнего источника в виде автономной электронной пушки) самими автоколебаниями, если их частота много больше обратного времени релаксации надтепловых электронов.