Физические процессы в плазменных ключевых элементах при высоких плотностях токов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

РГб ОД 1 8 ДЕК 2000

Воронин Сергей Александрович

Физические процессы в плазменных ключевых элементах при высоких плотностях токов

(01.04.04 - физическая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете на кафедре физической электроники

Научный руководитель- кандидат физико-математических наук

профессор Андронов А.Н.

Научный консультант- кандидат физико-математических наук

доцент Шигалев В.К.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

профессор Смирнов A.C.

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Богданов A.A.

Ведущая организация- Санкт-Петербургский Государственный

Электротехнический Университет

/

Защита состоится -2 / декабря 2000г. в_^£__часов на заседании диссертационного Совета К 063.38.16 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, СПбГТУ, Политехническая ул. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан t ноября 2000г.

Ученый секретарь диссертационного Совета 063.38.16, кандидат физико-математических наук

3 täl. & - ß! . п -ь 0G6X.bG

Общая характеристика диссертации

Актуальность проблемы Наиболее перспективными источниками электроэнер-ии для космических о&ьектов при мощностях от десятков кВт до МВт являются тер-юэмиссионные реакторы-преобразователи (ТРП). Однако они являются источниками изкого постоянного напряжения (iO-lOO В) и требуют экономичной системы прсоб-азования постоянного напряжения в неременное (системы преобразования качества лекгроэнергии). Плазменные ключи (ПК) с полным сеточным управлением и цезие-ым наполнением были разработаны специально для систем инвертирования ТРП 1,2}. Оки удовлетворяют трем основным требованиям для таких приборов: способ-ость работать при температурах окружающей среды 900-1200 К, радиационная стой-ость, обеспечивающая работу ПК непосредственно у реактора или даже в его активом зоне, и малые (в отдельных случаях вплоть до 1-2 В) прямые падения напряжения ля обеспечения высокого (90-95%) КПД инвертирования. Существующие полупро-одниковые ключи не обеспечивают требуемой радиационной стойкости и, кроме тоо, имеют относительно высокие прямые падения (3 В и более) из-за большой ширина запрещенной зоны, необходимой для работы при высоких температурах. Поэтому альнейшее развитие и совершенствование плазменных ключей, которому посвящена астоящая диссертационная работа, является весьма актуальным.

Цель работы заключалась в экспериментальном выяснении основных закомощностей сеточного гашения разряда в плазменных ключевых элементах с развитым атодом и процессов распыления антиэмисснонных сеточных покрытий при ионной омбардировке в рабочих режимах ПК, а также в поиске и обосновании на этой осно-е новых путей увеличения их удельных выходных характеристик.

Задачи работы определялись необходимостью дальнейшего увеличения плот-ости модулируемых токов в ПК и повышения их надежности. Проблема заключается том, что при давлениях цезия, способных обеспечить высокие плотности тока эмис-ик, разряд удается погасить лишь при малых (0.5..1 А/см2) плотностях тока [2]. (ерхним пределом полного сеточного управления в обычных условиях является уро-ень давлении цезия 1..210"2 Topp, при которых плотность тока эмиссии, отбираемого аже с самых лучших катодов, не превышает 1-2 А/см2. На порядок большие токи по-воляют модулировать Cs-Ba ключи [3], однако в этом случае, в отличие от цезиевых IK, не удается использовать для нагрева катода отработанное тепло реактора из-за ысоких (-1500 К) рабочих температур. Для повышения удельных характеристик целевых ключей обычно используют два пути: увеличение эффективной рабочей лло-1ади (развитие поверхности) катода и диафрагмирование сетки, увеличивающее лотность тока в ее ячейках до уровня, при котором реализуется обрывное гашение

разряда, основанное на эффекте самопроизвольного обрыва тока [4]. Обрывный механизм гашения позволяет поднять в 2-3 раза верхний предел рабочих давлений и соответственно увеличить модулируемые токи. Обе указанных возможности, однако, приводят к заметному увеличению прямого падения на ключе (до 3-4 В). Поэтому первая задача диссертационной работы заключалась в том, чтобы впервые попытаться реализовать режим обрывных гашений без диафрагмирования сетки только за счет достаточно сильного развития наиболее эффективного на сегодняшний день платинового катода и исследовать физические процессы, определяющие работу такого ключа.

Вторая задача - исследование ионного распыления антиэмиссионных покрытий сетки в рабочих условиях плазменного ключа - также непосредственно связана с увеличением модулируемых токов. При повышении тока пропорционально растет концентрация разрядной плазмы, а следовательно и ионные токи на сетку после подачи на нее отрицательного гасящего импульса, что делает проблему распыления материала сетки особенно актуальной. В предшествующих исследованиях было показано, что одним из перспективных покрытий, обладающих достаточно низкой эмиссией и малым коэффициентом ионного распыления, является цирконий [5]. Согласно [5] следует, что в рабочих условиях плазменного ключа, когда на поверхности сетки существует равновесная адсорбированная пленка адатомов цезия, циркониевое покрытие обладает очень высоким порогом распыления - порядка 20-25 эВ. Однако непосредственного экспериментального подтверждения отсутствия распыления при меньших энергиях получено не было из-за недостаточной чувствительности измерительной методики. В связи с этим необходимо было дальнейшее, более детальное исследование основных закономерностей ионного распыления в прююроговой области при наличии на бомбардируемой поверхности «защитной» пленки цезия.

Научная новизна работы.

1. Впервые экспериментально определены:

-закономерности низковольтного дугового разряда в цезиевом ПК с развитым платиновым катодом, включая детальные зондовые характеристики параметров плазмы в проводящем состоянии ключа в широком диапазоне внешних параметров (Pcs= 0.7...2.5- ТО'2 Topp, плотность тока эмиссии катода 2... 15 А/см2);

-особенности сеточного управления цезиевым низковольтным дуговым разрядом в таком ПК с большим коэффициентом развития катода.

2. Впервые получен самопроизвольный обрыв тока в цезиевом ключевом элементе с недиафрагмированной сеткой и с высоким временным разрешением (40 не) исследована кинетика обрывного гашения.

3. Показано, что в исследованных условиях самопроизвольный обрыв тока

обусловлен непосредственно выносом тяжелой компоненты плазмы (атомов и ионов) из межэлектродного промежутка и соответствующим уменьшением электрической прозрачности сетки без возникновения плазменных неустойчивостей.

4. Показано, что общепризнанная и широко используемая модель :<электрической прозрачности», которая удовлетворительно описывает прохождение гока через сетку при относительно невысоких концентрациях плазмы (~1012 см"3), не-трименима при больших концентрациях в результате того, что в центре сеточной !чейки возникает потенциальный горб (виртуальный катод), который дополнительно )граничивает ток.

5. Впервые экспериментально установлено, что в рабочих режимах ПК на зави-;имости коэффициента распыления от квадрата энергии бомбардирующих ионов в юласти малых энергий существуют два участка с силько различающимися наклонами, которые можно связать с распылением атомов Zr из-под адсорбированной пленки (езия и с островков непокрытого циркония.

6. Определены пороговые энергии распыления для чистого циркония (8-10 эВ) I для циркония, покрытого пленкой цезия (20-23 эВ).

Научная и практическая значимость работы. В результате исследований полу-ген ряд новых сведений, существенных для понимания физических процессов в низ-:овольтных дуговых разрядах в плазменных ключах, уточнен важнейший параметр (иркониевого антиэмиссионного покрытия, определяющий срок службы ПК - порог юспыления, предложены и обоснованы рекомендации по эффективному способу по-ышения токов эмиссии ПК за счет развития поверхности катода, обеспечившие мо-уляцию токов до 15 А/см2.

Достоверность и надежность результатов обеспечена тщательной отработкой кспериментальных методик и увеличением их чувствительности, использованием езмасляного вакуума, многократным повторением измерений при хорошей их вос-роизводимости, совпадением полученных результатов с литературными данными и энными расчетов там, где такое сопоставление было возможно.

Защищаемые положения.

1. Развитие катода позволяет при рабочих давлениях цезия Pcs~1..3-10'2 Topp еализовать обрывный механизм гашения разряда в цезиевом плазменном ключе без иафрагмирования сетки уже при коэффициенте развития ~5, что значительно улуч-!ает характеристики модуляции.

2. Обрыв тока в цезиевом плазменном ключе с большим коэффициентом развита катода в исследованных условиях не связан с возникновением плазменных неус-эйчивостей, а обусловлен дефицитом атомов и ионов в области сетка-анод из-за вы-

носа их электронным давлением и уменьшением электрической прозрачности сетки за счет соответствующего уменьшения концентрации плазмы.

3. Практически во всех режимах прохождения тока через сетку в плоскости ячейки сетки формируется потенциальный горб высотой до 1.5-2 кТ„, что существенно меняет представления о характере переноса тока через сетку и методы его теоретического описания.

4. Наличие двух линейных участков на зависимости коэффициента ионного распыления циркониевого покрытия сетки от квадрата энергии бомбардирующих ионов в припороговой области обусловлено распылением атомов циркония из-под адсорбированной цезиевой пленки (порог 20-23 эВ) и со свободной поверхности (порог 8-10 эВ).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

1. Space Technology and Applications International Forum (STAIF-99). Albuquerque, February 1999;

2. XXXVUI неделя науки СПбГТУ, Санкт-Петербург, 6-11 декабря 1999г;

3. 6-ой Международной научно-технической конференции студентов н аспирантов, Москва, 1-2 марта 2000г;

4. X конференции по физике газового разряда, Рязань, июнь 2000г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 6 работ, ссылки на которые приведет! в конце автореферата.

и приложения. В конце третьей и четвертой глав приводятся основные выводы.

Во введении приводится краткий обзор общего состояния исследований ПК и моменту начала работы, рассматриваются методы повышения эффективности работа ПК и связанные с этим трудности. В соответствии с этим формулируются задачи диссертационного исследования.

Глава 1 представляет собой обзор литературы и состоит из двух частей. Первая часть посвящена физическим процессам в плазменных ключевых элементах, втора* рассматривает процессы ионного распыления в плазме.

Глава 2 посвящена рассмотрению использованных экспериментальных методик. Подробно описаны конструкции экспериментальных приборов (катод косвенной подогрева, плоскопараллельная геометрия электродов с расположением сетки в сере дине межэлектродного промежутка, смена сетки в работающем приборе, конструкции зондов, которые располагались около середины областей катод-сетка и сетка-ано;

Структура диссертации и ее содержание.

. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения

параллельно электродам). Детально анализируется работа измерительной схемы для снятия разных характеристик разряда: анодных, зондовых, поджига, гашения и ад-сорбционно-десорбционных кривых. Для обеспечения максимальной стабильности температурного режима и высокой надежности регистрации был применен импульсный метод измерений с использованием двухканальных схем стробируемого интегрирования. Хорошая воспроизводимость исследуемых процессов от импульса к импульсу позволила фиксировать соответствующие характеристики в аналоговом виде с высоким коэффициентом подавления шумов. Рассмотрена также схема стробируемого зондового характериографа с временным разрешением 40 не, разработанная специально для исследования динамики разрядной плазмы при самопроизвольном обрыве гока. Проанализированы временные эпюры напряжений, поясняющие работу всей измерительной установки и возможности ее использования.

Рассмотрены методы определения параметров плазмы из зондовых ВАХ в условиях эксперимента. Параметры плазмы определялись по формулам бесстолкнови-гельного зонда: концентрация - из ионного тока насыщения, потенциал плазмы - из плавающего потенциала зонда, который находился экстраполяцией максвелловской части зондовой ВАХ к ионному току насыщения. Обсуждена корректность данных о распределении этих параметров по времени.

В конце главы рассматривается метод определения коэффициента и пороговых энергий ионного распыления материала сетки в плазменных ключах.

Глава 3 посвящена исследованию физических процессов в плазменном ключевом элементе с развитым катодом.

Первый раздел содержит информацию о выходных параметрах и параметрах /правления ПК, катод которого был сделан из платиновой фольги с коэффициентом развития 4.7.

В процессе эксперимента первоначально были подробно сняты ВАХ прибора ю всем рабочем диапазоне температур катода и давлений цезия (Pcs = (0.7...2.5)-10"2 Горр, Тк = 1100... 1200 К, j, =1...20 А/см2). На рис. 1 показано типичное семейство ЗАХ при постоянном давлении паров цезия и различных температурах катода, кото->ое иллюстрирует особенности прибора с сильным развитием катода. Во-первых, ;нимаемые с катода плотности тока насыщения при рабочих давлениях цезия относительно велики - порядка 10-15 А/см2 вместо 2-3 А/см2 для аналогичных приборов с ладким катодом [4]. Увеличение тока примерно соответствует коэффициенту развита поверхности (порядка 5). Во-вторых, ВАХ в нашем случае имеют иной вид, чем у фиборов с гладким катодом (рис. 1, пунктир): вертикальный участок, обязательный (ля последних, превращается в участок со значительным наклоном. Это объясняется

Рис. 1. .

Вольтамперные характеристики

разряда, Р&=8.6-103 Topp. Зависимость с индексом «Д» получена для диафрагмированной сстки.

тем, что ири развитии катода основная часть эмитированных электронов поступает в полости между его боковыми стенками и для того, чтобы «вытянуть» их в разрядный промежуток требуется приложить большую разность потенциалов между анодом и катодом. Для диафрагмированной сетки наклон еще более увеличивается (зависимость с индексом «Д» на рис. 1).

Исследование эффективности управления показало, что минимальная амплитуда гасящего сеточного импульса исг при перемещении рабочей точки по ВАХ зависит только от величины модулируемого тока. При этом в области малых токов гасящее напряжение заметно выше, чем для близких режимов ПК с гладким катодом, что обусловлено более высоким анодным напряжением на исследуемом приборе. В области больших плотностей тока картина оказалась обратной: на зависимости исг(1а) для развитого катода при достижении плотности тока 5-6 А/см2 наблюдается насыщение и даже уменьшение и/, тогда как для ПК с гладким катодом рост продолжается все время [2]. Такой характер зависимости иД]») обычно связан с переходом в область «обрывных» гашений [4]. Осциллограммы анодного тока подтвердили, что спустя 1020 мке после подачи отрицательного импульса на сетку происходит запирание тока. Поскольку оказалось, что для перехода в режим обрывных гашений в рассматриваемых условиях не требуется диафрагмирования сетки, все последующие исследования проводились для сетки, диаметр которой был равен диаметру катода (10 мм).

Во втором разделе приводятся результаты зондовых измерений параметров плазмы ключа в проводящем состоянии, проведенные для всей рабочей области внешних параметров ключа. Типичные результаты для «средних» давлений и токог эмиссии приведены на рис. 2. Зависимость параметров от тока разряда (и напряжения) похожа на результаты для гладкого катода [6], но имеет и ряд отличительны? особенностей.

¿А/см2 15

Прибор с

гладким катодом.

•Пс=Ш0К

10

5

0

ТьК:

б 8

То U*'B

а)

Ua,B 8

О

0 1 2 3 4 j„.A/cM

14. -з

П„ Н) см"

1.0

0-5

I_I

ТелВ 1.0

о

0 12 3 4 j..A/см*

Г)

i* / а

i 1

t !

и а

К С Л

Рис. 2. В АХ разряда (а) и параметры плазмы (б,а) в отмеченных на ВАХ точках. Ро.,=8.0-10° Topp, Тг— 1100 К; (г) - схематически показано распределение потенциала по зазору ПК.

В отличие от ПК с гладким катодом, где при минимальных разрядных токах концентрации в катодной и анодной областях невелики, как н барьер фп « кТе) в плоскости сетки (рис. 26), для исследованного прибора п^ с самого начала велика и существенно превышает п<д (рис. 2в) так что велик и скачок потенциала Ф12 ~ кТе1, запирающий электронный ток из анодной области в катодную (что связано с относительно большим уровнем хаотического тока в катодной области). По мере увеличения анодного напряжения (рис. 2а) температура электронов и концентрация плазмы в катодной облас ти растут (за счет увеличения прикатодного барьера) быстрее, чем в анодной, пока концентрация не достигнет максимума. Дальнейший рост Tei приводит уже к уменьшению пи за счет роста электронного давления. Одновременно отрицательный сеточный барьер постепенно уменьшается и вскоре после достижения насыщения катодной концентрации меняет знак (рис. 26). После смены знака барьера Т^ и Пег начинают расти быстрее и анодная концентрация «догоняет» катодную. Этот переход к предельной степени ионизации происходит в ПК с развитым катодом при

значительно меньших анодных токах, чем в случае гладкого катода, и именно это обстоятельство объясняет более раннее появление обрывных гашений на исследовавшемся приборе.

Наиболее существенное различие между плазмой IIK с гладким и развитым катодом заключается в практически полном отсутствии катодного пучка электронов в последнем случае. Электроны, эмиттируемые стенками, осциллируют между ними и полностью релаксируют по энергии в катодных полостях, где и выделяется вся энергия, вносимая током в разряд, причем значительная ее часть уносится обратно на катод (ионами, электронами, излучением). В промежуток катод-сетка энергия, необходимая для генерации там ионов и образования плазмы, может подводиться только за счет электронной теплопроводности от плазмы полостей (именно поэтому наклонный участок ВАХ оказался таким пологим). Косвенно представленная картина подтверждается и тем, что для режимов, соответствующих разным полным токам эмиссии катода (разным Тк), параметры плазмы при одних и тех же анодных токах (и сильно различающихся анодных напряжениях) оказались очень близкими. Последний результат объясняет также, почему минимальная амплитуда гасящего импульса для исследованного прибора зависит главным образом от анодного тока, а не от величины тока эмиссии.

Такой механизм поддержания разряда оказывается менее эффективным, он требует большего суммарного напряжения, чем обычный, когда энергия электронного пучка выделяется в межэлектродном промежутке катод-сетка. Это подтверждается сопоставлением с результатами, полученными в работе [4] для катода с развитием за счет фрезерования полостей шириной 0,5 мм при ширине перемычек тоже 0.5 мм и коэффициенте развития 2.5. Очевидно, что при такой геометрии развития половина энергии вносится катодным пучком непосредственно в промежуток катод - сетка. И хотя из-за малой эмиссионной способности катодного материала (окисленный молибден), полные токи были намного меньше и далеки от режимов обрывного гашения, дополнительное напряжение, требующееся в этом случае для снятия полной эмиссии из полостей, было намного меньшим - всего ~ 0.5... 1 В. Таким образов«, есть основания ожидать, что и в режиме обрывного гашения можно существенно понизить анодное напряжение путем тщательной оптимизации геометрии развития, с вариацие? ширины торцов и полостей и глубины последних.

Третий раздел посвящен анализу процесса токопрохождения через сетку i приборе с развитым катодом на базе экспериментального материала, полученного npi исследовании параметров плазмы в проводящем состоянии ключа.

Считается общепризнанным, что токопрохождение через сетку в плазме хора шо описывается моделью электрической прозрачности [6,7]. Согласно этой модели

8

при скачке потенциала ф|2<0 (рис. 2г) плотность тока через сетку

у, = а(—п,г. схр——»¿V 2), где а = [а - 2(г + Ь)]2/а* - электрическая прозрачность 4 кТл 4

сетки, а - ее шаг, г - радиус витка, Ь - ширина лэнгмюровского слоя у витков.

Многочисленные зондовые измерения на ПК с гладким катодом показали, что рассчитанные по этой модели из параметров плазмы значения плотности анодного тока удовлетворительно согласуются с измеренными на эксперименте. Некоторое расхождение (обычно менее, чем в 2-3 раза) приписывалось тому обстоятельству, что часть тока, которую невозможно измерить экспериментально, переносится через сетку катодным пучком электронов, з также неизбежным погрешностям определения параметров плазмы. Отсутствие катодного пучка на исследованном приборе и хоровая сходимость баланса тока на анодном барьере (в пределах 30%) заставили более фитически посмотреть на расхождение баланса тока на сетке. Типичный пример такого расхождения представлен в таблице 1.

Таблица 1. Рс,=8.4-10 3 Торр,

Т., К 1100 1120

А/ст2 0.64 1.27 1.9 2.54 3.17 1.27; 2.54 3.81 5.08 6.35.

-Ус1,В 59 131 167 170 166 45 69 112 165 148

-Ус2, В 5.6 40 70 :106 136 8.2 18 45 104 134

В таблице приведены значения сеточного потенциала —УС1 и -Ус2, рассчитан-гае из параметров плазмы катодной и анодной области соответственно, которые ►беспечивают нужную ширину лэнгмюровского слоя при заданных параметрах плаз-ид и измеренном значении анодного тока. Действительный потенциал сетки состав-ял при этом —2 В, так что расхождение получается очень значительным и для одно-о, и для другого вариантов, особенно при возрасташш концентрации плазмы с током I обеих областях разряда.

Подобные результаты, полученные практически для всех режимов работы ПК, называют, что должен существовать фактор, ограничивающий электронный ток из атодной области в анодную. Наиболее вероятной причиной такого ограничения яв-яется существование максимума потенциала («потенциального горба») <рт (рис. 2г) в чеюсе сетки, подобного тому, который имеет место в случае т.н. «объемных сеток» с олщиной порядка 1 мм и таким же размером ячейки, как и у мелкоструктурной сетки Ю0...200 мкм) [8]. В узком и длинном канале объемной сетки возникновение потен-иального горба, затягивающего ионы из обеих разрядных областей в токовый канал,

является единственным возможным механизмом поддержания квазинейтральности плазмы и переноса тока [7]. Для мелкоструктурной сетки такой жесткой обусловленности нет, поэтому считалось, что виртуальный катод в ячейке мелкоструктурной сетки может возникать лишь при больших тянущих барьерах <р12 »кТ^. при частичном запирании тока сеточным импульсом, когда ток через сетку определяется известным условием амбиполярной диффузии, а «лишний» ток из катодной области задерживается виртуальным катодом. Наше предположение о существовании максимума потенциала практически во всех режимах ПК означает недостаточность модели электрической прозрачности, так как прохождение тока регулируется в этом случае не только величиной разности потенциалов (pt2, но и высотой горба <рт:

.1 -Wh+A.) 1

4 кТл 4 кТл

Для определения <рга необходимо строго решать уравнение Пуассона для реальной трехмерной геометрии ячейки с кинетическим рассмотрением движения ионов, что практически невозможно. Однако по экспериментальным результатам найти срш сравнительно просто, если считать, что ширина лэнгмюровских слоев определяется концентрацией плазмы в «узком месте» токового канала, которому и соответствует максимум потенциала, а электроны распределены по Больцману. Определенные таким самосогласованным образом значения <pm в зависимости от ja представлены иа рис. 2а. Как видно из рисунка, высота горба получается достаточно большой - до 1.5кТе.

Таким образом, возникновение потенциального горба дня электронов (соответственно потенциальной ямы для ионов) в середине ячейки следует рассматривать как общую закономерность для «узкого места» токопрохождения, в котором подвод ионов затруднен геометрически, (особенно при широких слоях), а отвод, наоборот, наиболее интенсивен. Потенциальный горб обеспечивает наиболее эффективный подвод ионов - из обеих областей разряда, а быстрый уход ионов (по сравнению с плоским электродом) делает возможным существование падения потенциала порядка кТе и более на малых расстояниях, порядка размеров ячейки).

Четвертый раздел посвящен изучению обрывного гашения разряда. Обрывные гашения оказались наиболее стабильными в области давлений цезия порядка (7...8)-10'3 Topp. Высокая стабильность работы прибора позволила выполнить зондо-вые измерения параметров плазмы во время предобрывных колебаний и непосредственно перед обрывом. Параметры плазмы при обрыве тока уже исследовались в Cs-Вг ПК [9] и в цезиевых ПК с диафрагмированной сеткой [7], но в первом случае измерялась лишь

интенсивность спектральных линий, а во втором обрыв был неустойчив , что не позволило получить нужную информацию.

На рис. 3 показаны типичные осциллограммы анодного напряжения, анодного и сеточного тока перед самопроизвольным обрывом, рабочая точка на ВАХ и параметры плазмы. Видно, что развитие предобрывных колебаний обусловлено уменьшением концентрации плазмы (особенно в прианодной области п^ (рис. 36), где температура электронов Тс2 выше за счет выноса тяжелой компоненты (атомов и ионов) из разрядного промежутка с ростом электронного давления, которое возрастает почти в два раза после подачи сеточного импульса (рис. Зв). Действительно, уменьшение п,2

ЮЦ.В

&I- о, СМ"3

б-ltr

2-Ш"

б) о

01

Pel-o, ^62-х, 0115

Topp

в) 0

i > в 2.4 Т.1-П,1"6

X XX со X *х X та-х, эВ 02

*х > X Г) о 0

"12. '

0 4 12 В

* Xх 3ЯПг, * Ъ X х *хХ ч д) » 5.5 L-löi СИ 5.0

х ПМД ^ocEfPcm ад

*х

ЗНйЦзасНй

е)

4.5

с--------- ----- ** < X X* < X X Хх

х X х''

0 г 12

х>

<хх**ххх*

t,mkc

1,шкс

Рис. 3. Временные зависимости плотности анодного тока, сеточного тока, анодного напряжения (а) и параметров плазмы при обрывном гашении разряда (б-е).

снижает электрическую прозрачность сетки и уменьшает анодный ток, что, в свою очередь, вызывает рост анодного напряжения ключа из-за перераспределения напряжения анодного источника между ключом и анодной нагрузкой. Дополнительное напряжение увеличивает скачок потенциала <р1 - <рг (рис. Зд), ускоряющий электрон из катодной области в анодную и увеличивающий там температуру электронов плазмы ТС2 (рис. Зг). Это вызывает рост скорости генерации ионов и, спустя 0.5-1 мкс, рост п^г, восстанавливающий токопрохождение, но снижающий Тс2 и скорость генерации. Общий спад концентрации из-за выноса тяжелой компоненты (рис. 36) постепенно увеличивает амплитуду колебаний. Когда степень ионизации плазмы в анодной области становится предельной (сеточный ток в момент обрыва максимальный (рис. За), рост Те2 уже не может увеличивать пс2 (что хорошо видно из сопоставления рис. 36 и рис. Зг на участке времени от 10 до 11.5 мкс), что и приводит к окончательному запиранию тока за счет соответствующего уменьшения прозрачности ячеек сетки при расширении присегочного слоя Ь (рис. Зе).

Глава 4 посвящена изучению ионного распыления сеточного покрытия при бомбардировке ионами из разрядной плазмы в приборе с гладким рениевым катодом и молибденовой сеткой с иодидным циркониевым покрытием. Диаметр электродов составлял 7 мм.

В первом разделе детально описываются особенности экспериментальной методики и обсуждаются полученные с ее помощью результаты по оценке коэффициентов к пороговых энергий распыления сеточного покрытия в рабочих условиях цезне-вого ПК.

В работе использована новая, впервые предложенная в [5] методика, позволяющая проводить исследование распыления в реальных режимах работы ПК и основанная на регистрации изменений термоэлектронной эмиссии катода ПК при поступлении на его поверхность распыленных с сетки частиц антиэмиссионного покрытия. Метод обладает высокой чувствительностью, поскольку даже малая доля монослоя адатомов способна вызвать существенное изменение эмиссии, которое в условиях низковольтного дугового разряда можно регистрировать непосредственно по его вольтамперной характеристике.

При исследовании процесса ионного распыления снимались семейства адсорб-ционно-десорбционных характеристик, представляющих собой изменение во времени тока термоэмиссии катода как при подаче на сетку импульсов отрицательного напряжения (т.е. в процессе адсорбции атомов циркония), так и после окончания ионной бомбардировки сетки (т.е. во время последующей их десорбции). Если считать, что эмиссия с покрытой цирконием части катода пренебрежимо мала, то относительное

изменение тока эмиссии Л1/1„ пропорционально степени покрытия катода адатомами циркония, т.е. коэффициенту ионного распыления S. Это дает возможность оценить и значение коэффициента распыления S (при известной плотности бомбардирующего сетку ионного тока), и теплопу десорбции атомов Zr с поверхности катода (по экспериментально определенной постоянной времени десорбции при различных температурах). Зависимость коэффициента распыления от энергии бомбардирующих ионов, построенная в координатах -fs = /(£), дает возможность определять порог распыления [5]. Так как коэффициент распыления имеет квадратичную зависимость от энергии бомбардирующих ионов в области припороговых энергий [10], линейный характер зависимости S(E) на каждом из этих участков особенно нагляден при построении зависимости S(E) в координатах VS(E) (рис. 46). Правомерность подобной интерпретации подтверждается тем, что Д[/10 в широком диапазоне прямо пропорционально длительности сеточного импульса.

Полученные в [5] значения пороговой энергии распыления (-20. .25 эВ) в 2-3 раза превышали значение теплоты сублимации циркония (7.6 эВ), что было объяснено «защитным» действием адсорбированной на поверхности сетки пленки Cs. Однако непосредственных экспериментальных доказательств отсутствия распыления при энергиях, меньших, чем пороговая, в работе [5] приведено ие было из-за недостаточной чувствительности измерительной методики. В настоящей работе удалось почти на порядок снизить порог обнаружения циркония на поверхности катода благодаря компенсации начального значения тока эмиссии 1о в измерительном тракте, который регистрировал только изменение эмиссионного тока во времени I(t). Подобное увеличение чувствительности метода позволило обнаружить, что ионное распыление в действительности имеет место и при энергиях ниже порога распыления, полученного

Рис. 4. Завнсмости

А/

7" =/(Я) (а) и

'о

С

учетом разделения двух процессов распыления (б). Тс=770 К,

Pc,=3.2.10z Topp, t„=1.2 мс.

в [5]. При этом зависимость оказалась состоящей из двух участков с сильно

различающимися наклонами (рис. 4а), что свидетельствует о наличии двух независимых процессов распыления с различными энергетическими порогами. Поскольку в энергетической области между двумя порогами может протекать лишь один из этих процессов, можно легко определить вклад каждого из них в измеренный коэффициент распыления и при больших энергиях (рис. 46). Подобный результат - наличие двух участков с разными наклонами в припороговой области зависимости 5(Е) - получался и ранее при исследовании ионного распыления в разрядной плазмедостаточно чувствительными методами [11,12]. В литературе было выдвинуто несколько возможных объяснений этого эффекта: наличие в разрядной плазме небольшого количества двух-зарядных ионов [13]; наличие на исследуемой поверхности равновесных (возобновляемых) пленок [11]; наличие молекулярных ионов в бомбардирующем потоке [14]. В цезиевой плазме ключевых элементов двухзарядные ионы отсутствуют (потенциал ионизации С,5^3.9 эВ), а молекулярные ионы, присутствующие в очень малом количестве, ввиду большой массы не могут иметь порог распыления меньший, чем у атомарных ионов. Поэтому наиболее вероятной причиной появления двух наклонов на зависимости л/£ = /(£) в рассматриваемых условиях следует считать наличие на поверхности сетки адсорбированной пленки Сб с высокой (9 « 1) степенью покрытия и связывать первый участок с распылением свободной от цезия части поверхности, а второй - с распылением подложки из-под адсорбированной пленки.

В пользу такой интерпретации говорит и независимость порогов распыления от положения рабочей точки на ВАХ.

Второй раздел посвящен исследованию влияния давления цезия и температуры сетки на зависимость коэффициента распыления от энергии бомбардирующих ионов.

Изменяя каждый из этих параметров, можно в определенных пределах менять равновесную степень покрытия сетки Сб. Поскольку во всех случаях степень покрытия 9 близка к единице при этом особенно заметно изменяется относительная доля свободной от адсорбата поверхности, пропорциональная (1-0). Это коррелирует с наблю-давщимся на опыте изменением наклона первого участка (рис. 5). В то же время доля поверхности, занятой адатомами цезия, меняется значительно слабее. Соответственно, и наклон второго участка не очень сильно зависит от указанных параметров. Описанный характер экспериментальных зависимостей подтверждает предложенную интерпретацию.

В Приложении приводится математическое обоснование метода адсорбцконно-десорбционных характеристик при работе в импульсном режиме.

Заключение и выводы

Основная задача повышения выходных характеристик плазменных ключей с полным сеточным управлением состоит в увеличении максимальных модулируемых токов при высокой эффективности управления без увеличения габаритов самих приборов и уменьшения их надежности. В диссертационной работе предложен и успешно реализован новый подход к решению этой задачи - переход к обрывным режимам сеточного гашения за счет значительного развития наиболее эффективного платинового катода и соответствующего увеличения его суммарной эмиссии.

Для решения поставленной в настоящей работе задачи разработаны, изготовлены и обследованы два лабораторных макета плазменных ключевых элементов - прибор с развитым катодом и специальный прибор для исследования ионного распыления материала сетки при работе ключа, которое особенно критично при модуляции больших плотностей токов. В процессе испытания приборов был выполнен большой объем чисто физических экспериментальных исследований, которые позволили не только обосновать перспективность предложенного метода увеличения выходных характеристик ПК, но и получить несколько принципиально новых физических результатов, важных для понимания процессов, протекающих в низковольтной дуге при работе ключа.

В результате исследований прибора с развитым платиновым катодом: - реализованы устойчивые режимы обрывного гашения без диафрагмирования сетки и осуществлена модуляция токов до 15 А/см2 и исследована эффективность сеточного гащения для таких режимов;

- в широком диапазоне давлений цезия, токов эмиссии и анодных напряжений получены подробные данные о параметрах разрядной плазмы в проводящем состоянии ключа, продемонстрировавшие специфику плазмы ПК с развитым катодом и позволившие объяснить причину перехода к обрывным гашениям при относительно невысоких плотностях тока;

- впервые проведены зондовые измерения (с временным разрешением 40 не) динамики параметров плазмы при самопроизвольных обрывах тока, позволившие установить, что в исследованных условиях обрыв тока связан с выносом тяжелой компоненты плазмы ш межэлектродного промежутка электронным давлением и соответствующим уменьшением электрической прозрачности сетки;

- сопоставление расчетных (по результатам зондовых измерений) балансов тока в плоскости сетки с измеренными анодными токами позволило установить, что в подавляющей части режимов, особенно при больших концентрациях и больших отрицательных потенциалах сетки в центре сеточной ячейки, куда подвод ионов наиболее затруднен, возникает виртуальный катод (горб потенциала) высотой ~ (1...2)кТе, который дополнительно ограничивает ток. через сетку. Поэтому модель «электрической прозрачности» удовлетворительно описывает прохождение тока лишь при невысоких концентрациях плазмы ~1012 см"3.

В результате исследования ионного распыления на приборе с циркониевым покрытием сетки

- установлено наличие двух линейных участков на зависимости коэффициента распыления от квадрата энергии бомбардирующих ионов S(E2) в области припорого-вых энергий;

- показано, что участок с большим наклоном соответствует, вероятнее всего, распылению циркония из-под адсорбированного слоя атомов Cs, а участок с малым наклоном при минимальных энергиях - распылению свободной поверхности Zr;

- определены нороги распыления в 23 эВ и 8 эВ для этих процессов.

Цитируемая литература

1.Gijaznov, G. М. and others. Thermionic inverter.// IAEA 1975 TCS Meeting, Eindhoven, 1975, p. 1-16.

2.Каплан В.Б., Макаров A.H., Марциновский A.M., Новиков А.Б., Сербии В.И., Циркель Б.И., Юрьев В.Г. Низковольтный высокотемпературный ключевой элемент нового типа для преобразования постоянного тока в переменный. Часть 1,П II ЖТФ 1977, т. 47, № 2, с. 274-296.

3.Кайбышев В. 3., Кузин Г. А., Влияние третьего электрода на обрыв тока низковольтной дуги. // ЖТФ, 1975, т. 45, № 2, с. 320-326.

16

4. Алексеев Н. И., Каплан В.Б., Марциновский A.M., Расулов Ф.Н. Исследование плазменных ключевых элементов с диафрагмированной сеткой. Ч. I. Эффективность сеточного управления. // ЖТФ, 1996, т. 66, № 12, с. 21-28..

5. Баньковский Н.Г., Марциновский A.M., Шигалев В.К., Распыление электродов при бомбардировке плазменными ионами.//12-я Международная конференция по взаимодействию ионов с поверхностью.: Материалы конференции 5-8 сентября 1995 г. -Звенингород, 1995, т.1, с. 116-117.

6.Бакшт Ф. Г., Каплан В. Б., Костин А. А., Марциновский А. М., Расулов Ф. Н., Свешникова Н. Н., Сербии В. И., Юрьев В .Г. Исследование стационарного проводящего состояния сеточного ключевого элемента. I и П. // ЖТФ, 1978, т. 48, № 11, с. 2273-2294.

7.Бакпгг Ф. Г., Колосов Б.И., Костин А.А., Юрьев В.Г. Математическое моделирование процессов в низковольтном пучково-нлазменном разряде. / Энергоатомиз-дат, .Москва 1992, -2tl с.

8.Алексеев Н.И., Каплан В.Б., Марциновский А.А. Исследование физических процессов в плазменных ключевых элементах с крупноструктурной сеткой. 1 Стационарное проводящее состояние. // ЖТФ, 1992, т. 62, № 9, с. 70-83.

9.Babanin V.I., Kaplan V.B., Kolyshkin I.N., Kuznetsov V.l, Martsinovskii A.M., Mustafaev A.S., Sitnov V.I., Ender A. Ya. Optical investigations of the spontaneous extinction of the current knudsen arc discharge in Cs-Ba gas mixture. // J. de Physiqe Colloque C7, supplement au № 7,1979, v. 40, p. 201-202.

10.Langsberg E. Analysis of low-energy sputtering. // Phys. Rev. 1958, v. 111, № 1, p. 91-97.

11. Моргулис Н.Д., Тищешсо В.Д. Исследование катодного распыления в лри-пороговой области I. // ЖЭТФ. 1956, т. 30, № 1 с. 54-59

12.Stuart R.V., Wehner G.K. Sputtering thresholds and displacement energies. // Phys. Rev. Letters. 1960, v. 4, № 8, p. 409-410.

13.Harrison D.E., Magnuson G.D. Sputtering thresholds. // Phys. Review. 1961, v. 122, №5, p. 1421-1430.

14.Yao Y., Hargitai Z., Albert M., Albridge R.G., Barnes A.V., Gilligan J.M., Pratt Ferguson В., Lupke. G., Gordon V.D., Tolk N.H., Tully J.C., Betz G„ Husinsky W. New molecular collision interaction effect in low-energy sputtering. // Phys. Rev. Lett., 1998, v. 81, №4, p. 550-553.

Содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Andronov A. N., Martsinovsky А. М., Rasulov F. N., Shigalev V. К., Stolyarov 1.1., Voronin S. A. Plasma Switch with developed emitter // Space Tehnology and

Applications International Forum (STAIF-99). E 10. Energy Conversion: Terrestrial Applications Space Technology. - Albuquerque, February 1999. http.//www-chne.uran.edu/isnps/staif99/staif99.html.

2. Andronov A.N., Ljaschenko M.N., Maitsinovsky A.M., Shigalev V.K., Stolyarov I.I., Voronin S.A. Potential Distributions into Grid Mesh of Plasma Switchs // Space Tehnology and Applications International Forum (STAIF-99). E 18. ТЪегшоюшс Technology and Applications -П. - Albuquerque, February 1999. http://www-chne.unm.edu/isnps/staif99/staif99.html.

3. Воронин C.A. Исследование особенностей работы плазменного ключевого элемента с развитым катодом // Вестник молодых ученых - 1999. - Ns 2. - с. 67-74.

4. Андронов А.Н., Воронин С.А., Ионное распыление циркониевого покрытия сетки в плазменных сеточных ключах в области пороговых энергий // XXVIII неделя науки СПбГТУ, 6-11 декабря 1999, Часть V, с. 74-75

5. Андронов А.И., Воронин С.А., Ионное распыление циркониевого покрытия сетки в плазменных цезиевых ключах // 6-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов.: Тез. докл. конф. 1-2 марта. 2000 г. Москва, 2000. Том II, с. 73-74.

6. Баньковский Н.Г., Воронил С.А., Марциновский A.M., Шигалев В.К. Зондо-вые исследования самопроизвольных обрывов тока в плазменных ключах // Х-я конференция по физике газового разряда.: Тез. докл. конф. 2000 г. - Рязань 2000. Часть 2, с. 166-168.

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Короткая низковольтная дуга в термоэмиссионном элементе

1.2. Кинетика сеточного гашения в ПК

1.3. Характеристики управления током в ПК

1.4. Самопроизвольные обрывы тока и обрывное гашение—

1.5. Ионное распыление металлов в области припороговых энергий

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

2.1. Введение

2.2. Экспериментальная установка

2.2.1. Конструкция экспериментальных приборов

2.2.2. Измерение давления паров цезия в экспериментальном приборе

2.3. Методики измерения характеристик разряда: анодных, зондовых, по джи га-1 а и 11 тш я

2.4. Методика исследования параметров плазмы

2.5. Методика исследования распыления сетки. Адсорбционно-десорбционные характеристики

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕННОМ КЛЮЧЕВОМ ЭЛЕМЕНТЕ С РАЗВИТЫМ КАТОДОМ

3.1. В о льт амперные характеристики прибора и характеристики управления плазменного ключа

3.2. Параметры плазмы ключа в проводящем состоянии

3.3. Прохождение тока через сетку

3.4. Обрывное гашение разряда

ГЛАВА 4 РАСПЫЛЕНИЕ АНТИЭМИССИОННЫХ СЕТОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ ПЛАЗМЕННЫМИ ИОНАМИ

ЦЕЗИЯ

4.1. Пороговая энергия и коэффициент ионного распыления.

4.2. Зависимость коэффициента распыления от энергии бомбардирующих ионов при изменении степени покрытия сетки цезием

Среди различных методов преобразования тепловой энергии в электрическую важнейшее место занимает термоэмиссионный способ. Это определяется двумя обстоятельствами: во-первых, термоэмиссионный метод преобразования исключительно хорошо согласуется с ядерным реактором, и, во-вторых, допускает создание автономных электростанций в широком интервале выходных мощностей вплоть до мегаватт при минимальных весогабаритных показателях. Построенный на этом принципе термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) является мощньгм, компактным, долговечным источником электроэнергии, не содержащим движущихся частей. Все это обеспечивает ему широкую область применения -прежде всего для освоения космоса.

Однако ТРП является принципиально низковольтным сильноточным источником электроэнергии постоянного тока. На начальном этапе рабочие напряжения ТРП составляли 10.30 В и лишь в последние годы повысились до -100 В. Поэтому для ядерной термоэмиссионной станции (ЯТЭС) принципиальные трудности связаны с решением двух проблем: а)преобразование постоянного тока в переменный и его трансформация до уровня, необходимого системам потребления; б) передача энергии к узлам и системам потребления, которые должны находиться на расстоянии порядка нескольких десятков метров от ТРП. Обе проблемы находят оптимальное решение при сочетании ЯТЭС с инверторной системой при размещении инвертора напряжения непосредственно у ТРП. Но рабочие температуры составляют при этом ~ I ООО К, при высоком уровне радиации. Поэтому такой инвертор должен строиться на элементной базе, соответствующей указанным экстремальным рабочим условиям. Из элементов, необходимых для создания инвертора, наиболее сложную задачу представляла разработка термо- и радиационностойкого сильноточного ключевого элемента с низким (~1.2 В) прямым падением напряжения. Кроме того, ключи должны иметь хорошие частотные характеристики, обеспечивающие работу на частотах до десятков кГц без заметных потерь мощности.

В настоящее время совокупности всех этих требований удовлетворяют только плазменные ключи с полным сеточным управлением разрядным током цезиевой кнудсеновской низковольтной дуги, разработанные специально для зтой цели. Они имеют прямые падения напряжения от 1.5-2 В, обеспечивают модуляцию анодных напряжений до 100 В и выше при плотностях токов в несколько А/см2 и времени переключения I .Змкс, и обладают практически такой же радиационной стойкостью, как и сами термоэмиссионные преобразователи [I]. Традиционные газоразрядные приборы имеют на порядок большие прямые падения напряжения, а полупроводниковые не обладают пока необходимой термо- и радиационной стойкостью; кроме того, широкозонные полупроводники, способные в принципе работать при нужных температурах, имеют сравнительно высокие прямые падения (~ЗВ и более).

К сожалению, цезиевые ПК имеют один существенный недостаток -ограниченный сверху диапазон рабочих давлений цезия (lYs . 2102 Topp) [2]. Это остро ставит проблему катодного материала ключей, ограничивая их удельные мощностные характеристики и не позволяя использовать в полной мере все потенциальные возможности ключей для улучшения массогабаритных характеристик системы инвертирования. В настоящее время наилучшие показатели в этом плане имеют катоды с Pt покрытием, которые обеспечивают при таких низких давлениях цезия плотности рабочих токов 1-2 А/см2 [3]. Переход к более высоким давлениям снижает плотности модулируемых токов до уровня 0.5-1 А/см2 из-за так называемого эффекта «аномального негашения» [4,5].

По этой причине многократно предпринимались попытки увеличить верхний предел модулируемых токов. Наиболее естественным тут является использование Cs-Ba наполнения, что обеспечивает эмиссию в десятки А/см2 при PCs<10-2 Topp и, соответственно, модуляцию таких токов [6-8]. Однако введение бария повышает рабочие температуры катода до 1400-1500 К, что исключает использование отработанного тепла реактора и тем самым сильно усложняет техническую сторону вопроса (не говоря уже об очень высокой агрессивности паров Ва).

Другим традиционным способом повышения эмиссии катода является геометрическое развитие его поверхности, что также было успешно испробовано в ключе на базе окисленных Мо катодов [9]. Это техническое решение позволяет в 2-3 раза повысить модулируемые токи в цезиевых ПК, однако этот способ применим лишь при модуляции сравнительно больших анодных напряжений Еа>20 В, так как развитие катода увеличивает прямые падения напряжения на ключе на 1 .2В.

Принципиальной возможностью преодолеть ограничения, связанные с аномальным негашением и расширить диапазон рабочих давлений цезиевых ПК является использование для сеточного управления явления самопроизвольного обрыва тока в разряде [10]. В таких режимах увеличение плотности разрядного тока приводит к увеличению, а не к уменьшению эффективности гашения разряда отрицательным сеточным импульсом, что позволяет осуществлять управление токами при плотностях в десятки и даже сотни А/см2 и при давлениях цезия до 5.610"2 Topp и даже выше. Но для использования обрывного гашения необходимо иметь плотности токов на уровне 10-30 А/см2, которые получаются лишь в Сз-Ва ключевых элементах. Поэтому большим шагом вперед была идея увеличения плотности тока в плоскости сетки за счет ее диафрагмирования, что позволило реализовать эффективное обрывное гашение в цезиевых ПК [11]. Однако этот метод повышения удельных характеристик тоже возможен лишь при модуляции высоких напряжений из-за увеличения прямого падения напряжения при диафрагмировании сетки. И увеличение суммарного модулируемого тока с единицы площади поверхности катода оказывается относительно небольшим - до 2-4 А/см2, как и при развитом окисленном катоде.

Поэтому в свете полученных в [9,11] результатов возникла идея попытаться осуществить такое развитие эффективного платинового катода, которое позволило бы перейти в режим обрывного гашения без диафрагмирования сетки, только за счет увеличения плотности тока за счет развития. В случае успеха это могло бы быть существенным шагом на пути повышения удельных характеристик цезиевых ПК. Проверить эту возможность и являлось первой задачей диссертационной работы.

Помимо этого, реализация обрывного гашения без диафрагмирования сетки давала бы возможность провести исследование кинетики обрывного гашения в таких условиях. Хотя само явление самопроизвольного обрыва тока в газовом разряде известно давно и хорошо исследовано феноменологически [12], до сих пор физика процессов, протекающих при самопроизвольном обрыве (или ограничении тока в диафрагмах, сужениях и т.п.) до конца не ясна. Не вызывает сомнений, что первопричиной обрывов является дефицит тяжелой компоненты вблизи «узкого места» токопрохождения, однако сама кинетика процессов, предшествующих и сопровождающих обрыв, исследована явно недостаточно, тем более, что в различных условиях обрывы происходят по-разному. Обрывы в плазменных ключах представляют в этом плане уникальную возможность для исследования кинетики, так как процесс развития обрыва можно синхронизовать подачей отрицательного импульса на сетку и исследовать с хорошим временным разрешением изменение параметров плазмы по обе стороны от сетки в процессе обрыва тока оптическим или зондовым методом. Попытка такими измерениями прояснить картину развития обрыва тока, предпринятая в [9, 13], не принесла, однако, однозначных результатов, и одна из возможных причин заключается в том, что наличие зондов по обе стороны от малой диафрагмы (диаметром 2 мм) могло заметно влиять на протекание самого процесса обрыва. Поэтому второй задачей работы являлось исследование кинетики обрывного гашения в случае, если его удастся реализовать за счет развития катода без диафрагмирования.

Повышение удельных мощностей характеристик плазменных ключей, помимо реализации сеточного гашения при повышенных плотностях тока, имеет и еще один аспект, связанный с увеличением ионной бомбардировки сетки при увеличении концентрации плазмы в проводящем состоянии ключа, сопровождающем рост модулируемых токов [14].

Как известно, оптимальным режимом работы ключей с технической точки зрения является т.н. изотемпературный режим, когда температура катода, сетки и анода примерно одинакова и соответствует температуре холодильника ТРП (900-1200 К). В этом случае можно использовать для нагрева катода отработанное тепло реактора-преобразователя (нагревать катод и охлаждать анод теплоносителем из основного контура холодильника) [1]. Очевидно, что реализация изотемпературного режима требует разработки специальных антиэмиссионных для паров цезия покрытий, обеспечивающих низкую мА) термоэмиссию сетки [15]. При этом не менее важным, чем низкий уровень эмиссии, для сеточных покрытий является их стабильность по отношению к распылению ионами цезия, так как поверхность сетки при подаче отрицательного гасящего импульса подвергается достаточно интенсивной бомбардировке (ионный ток на сетку составляет десятки мА/см"). При этом проблема заключается не только в уносе материала и уменьшении покрытия, но и в адсорбции продуктов распыления на катоде и аноде, что может менять их работу выхода и выходные параметры ключа в процессе работы.

Распыление антиэмиссионных покрытий в рабочих условиях плазменного ключа было подробно исследовано в [15]. Там было установлено, что одно из таких покрытий - Ъх - имеет высокий порог распыления -20.25 эВ, что было связано с наличием на поверхности циркония адсорбированной пленки цезия, играющей роль «защитного покрытия». Однако непосредственного экспериментального подтверждения отсутствия распыления при меньших энергиях получено не было из-за недостаточной чувствительности измерительной методики. Учитывая первостепенное значение стабильности покрытия на всем длительном (годы) сроке службы ПК, необходимо было дальнейшее, более детальное исследование основных закономерностей ионного распыления в припороговой области при наличии на бомбардируемой поверхности цезиевой пленки. Это составляло третью, последнюю, но не менее важную задачу диссертационной работы.

Все эти три задачи представляли, по существу, разные стороны одной проблемы, а именно изучения особенностей физических процессов, протекающих в плазменных ключевых элементах при сеточном управлении большими плотностями разрядных токов.

Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и Приложения. Нумерация рисунков и формул для удобства дана по главам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.

Основная задача повышения выходных характеристик плазменных ключей с полным сеточным управлением состоит в увеличении максимальных модулируемых токов при высокой эффективности управления без увеличения габаритов самих приборов и уменьшения их надежности. В диссертационной работе предложен и успешно реализован новый подход к решению этой задачи

- переход к обрывным режимам сеточного гашения за счет значительного развития наиболее эффективного платинового катода и соответствующего увеличения его суммарной эмиссии.

Для решения поставленной в настоящей работе задачи разработаны, изготовлены и обследованы два лабораторных макета плазменных ключевых элементов - прибор с развитым катодом и специальный прибор для исследования ионного распыления материала сетки при работе ключа, которое особенно критично при модуляции больших плотностей токов. В процессе испытания приборов был выполнен большой объем чисто физических экспериментальных исследований, которые позволили не только обосновать перспективность предложенного метода увеличения выходных характеристик ПК, но и получить несколько принципиально новых физических результатов, важных для понимания процессов, протекающих в низковольтной дуге при работе ключа.

В результате исследований прибора с развитым платиновым катодом:

- реализованы устойчивые режимы обрывного гашения без диафрагмирования сетки и осуществлена модуляция токов до 15 А/см2 и исследована эффективность сеточного гашения для таких режимов;

- в широком диапазоне давлений цезия, токов эмиссии и анодных напряжений получены подробные данные о параметрах разрядной плазмы в проводящем состоянии ключа, продемонстрировавшие специфику плазмы ПК с развитым катодом и позволившие объяснить причину перехода к обрывным гашениям при относительно невысоких плотностях тока;

- впервые проведены зондовые измерения (с временным разрешением 40 не) динамики параметров плазмы при самопроизвольных обрывах тока, позволившие установить, что в исследованных условиях обрыв тока связан с выносом тяжелой компоненты плазмы из межэлектродного промежутка электронным давлением и соответствующим уменьшением электрической прозрачности сетки;

- сопоставление расчетных (по результатам зондовых измерений) балансов тока в плоскости сетки с измеренными анодными токами позволило установить, что в подавляющей части режимов, особенно при больших концентрациях и больших отрицательных потенциалах сетки в центре сеточной ячейки, куда подвод ионов наиболее затруднен, возникает виртуальный катод (горб потенциала) высотой ~ (1.2)кТе, который дополнительно ограничивает ток. через сетку. Поэтому модель «электрической прозрачности» удовлетворительно описывает прохождение тока лишь при невысоких концентрациях плазмы ~1012 см \

В результате исследования ионного распыления на приборе с циркониевым покрытием сетки

- установлено наличие двух линейных участков на зависимости коэффициента распыления от квадрата энергии бомбардирующих ионов 8(Е2) в области припороговых энергий;

- показано, что участок с большим наклоном соответствует, вероятнее всего, распылению циркония из-под адсорбированного слоя атомов С\ а участок с малым наклоном при минимальных энергиях - распылению свободной поверхности Zr;

- определены пороги распыления в 23 эВ и 8 эВ для этих процессов.

110

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность научному руководителю Александру Николаевичу Андронову, Норберту Георгиевичу Баньковскому, Валентину Константиновичу Шигалеву, Артемию Марковичу Марциновскому и всем другим сотрудникам сектора А.I I. Андронова и кафедры физической электроники за оказанную неоценимую помощь при подготовке эксперимента, его проведении и обсуждении результатов.

Ill

1. Grjaznov, G. М. and others. Thermionic inverter.// IAEA 1975 TCS Meeting, Eindhoven, 1975, p. 1-16.

2. Бакшт Ф. Г., Каплан В. Б., Костин А. А., Марциновский А. М., Расулов Ф. IT.,

3. Свешникова Н. Н., Сербии В. И., Юрьев В .Е. Исследование стационарного проводящего состояния сеточного ключевого элемента. I и II. // ЖТФ, 1978, т. 48, № 11, с. 2273-2294.

4. Бакшт Ф. Г., Костин А. А., Марциновский А. М. и др. // Письма в ЖТФ, 1979, т.5, № 15, с. 905-910.

5. Алексеев Н. И., Каплан В.Б., Марциновский A.M., Столяров И И. Области существования режимов с аномально высокой скоростью генерации плазмы в сеточных ключевых элементах. // ЖТФ, 1997. т.67, № 6, с. 15-20.

6. Кайбышев В. 3., Кузин Е. А., Влияние третьего электрода на обрыв тока низковольтной дуги. 11 ЖТФ, 1975, т. 45, № 2, с. 320-326.

7. Каплан В. Б. , Марциновский А. М., Мустафаев A.C., Сербии В.И., Ситнов

8. В.И., Эндер А. Я. , Юрьев В. Г. Импульсное управление током сильноточного разряда на смеси паров цезия и бария. // ЖТФ, 1977, т.47, № 10, с. 2068-2078.

9. Murray С., Wemsman В., id-Genk M.S., Kaibyshev V. 11 J. Appl. Phvs., 1992, v.72, p. 4556.

10. Расулов Ф.Н. Физические процессы в сеточном ключевом элементе и пути повышения модулируемых токов. Дисс. на соискание уч. степ. канд. физ.-мат. наук.-Л.: 1982, 294 с.

11. Каплан В. Б., Марциновский А. М., Мустафаев А. С., Ситнов В. И., Эндер А.Я., Юрьев В.Г. Особенности самопроизвольного обрыва тока сильноточного разряда низкого давления в смеси цезия и бария. // ЖТФ, 1979, т.49, № 3, с. 567-572.

12. Грановский В.Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток. Под ред. Сена. Л.А. и Голанта В.Б. М. Наука., 1971.

13. Шигалев В.К. Плазменные ключи с низкой термоэмиссией сетки. Дисс. на соискание уч. степ. канд. физ.-мат. наук. СПб.: 1999, -160 с.

14. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / Под ред. Мойжеса Б. Я. и ПикусаГ. Е., М. Наука, 1973. -480 с.

15. Бакшт Ф.Г., Богданов А.А., Каплан В.Б. и др. // Физика плазмы. 1981, т.7, № 3, с. 547-559.

16. Бакшт Ф. Г., Колосов Б.И., Костин А.А., Юрьев В.Г. Математическое моделирование процессов в низковольтном пучково-плазменном разряде. / Энергоатомиздат, Москва 1990, -136 с.

17. Kaplan V.B, Martsinovskiy A.M., Rasulov F. N., Yuriev. Kinetic of negative grid pulse influence upon discharge plasma // J. de Physiqe Colloque C7, supplement au №7, 1979, v. 40, p. 495-496.

18. Бакшт Ф.Г, Костин А.А., Марциновский A.M. и др. // Письма в ЖТФ. 1981, т.7, №20, с. 1271-1276.

19. Langmuir 1. D., Mott-Smith Н. Studies of electric discharges in gases at low Pressures. // -General electric Rev. 1924. v. 27, p. 762-771.

20. Hull A.W. Fundamental electrical properties of mercury vapor and monoatomic gases. // Electrical engineering, 1934, v.53, p. 1435-1442.

21. Tonks L. Theory and phenomena of high current densities in low pressure arcs. // Electrochem. Soc., 1937, v.72,p. 167-182.

22. Грановский В.Jl., Суетин Т.А. Генерация мощных электрических колебанийв разряде низкого давления. // ЖТФ. 1947. т. 17, № 2. с. 291-298.

23. Полетаев И.А. Пределы устойчивого существования положительного столба газового разряда. //ЖТФ, 1951, т.21, с. 1021-1028.

24. Caruso A., Cavalieve A. The low pressure discharge in the strong ionization regime. // Brit. J. Appl. Phys., 1964, v. 15, p. 1021-1029.

25. Torven S. The neutral atom distribution function in a low pressure positive column.

26. Phys. Scripta, 1974, v.4, p. 65-70.

27. Andrews J.G., Allen J.E., Theory of a double sheath between plasmas. // Proc. Royal Society London A., 1971, v. 320, p. 459-472.

28. Allen J.E., Thoneman P.C. Current limitation in the low-pressure mercury vapor arc. // Proc. Phys. Soc., 1954, v.67, p. 768-774.

29. Stangeby P.C., Allen I.E. Current limitation in mercury vapor discharges. I Theory. //J. Phys. A., 1971, v. 4, p. 108-119.

30. Stangeby P.C., Allen J.E. Current limitation in mercury vapour discharges. II

31. Experiment. // J. Phys. D., 1973, v.6, p. 224-242.

32. Коненко O.P., Мусин A.K., Утенкова С.Ф. Разряд низкого давления в гетерогенной среде. // ЖТФ, 1973, т.43, с. 1685-1694.

33. Коненко О.Р., Мусин А.К. Электрический ток в гетерогенной среде с неподвижным и движущимся токовым каналом. // ЖТФ, 1973, т.43, с. 20752086.

34. Луценко Е.И., Середа Н.Д., Концевой Л.М. Исследование ограничения тока в сильноточном разряде. // ЖТФ. 1975, т. 69, с. 2067-2078.

35. Суетин Т. А. Стенотрон ионизационно-генераторная лампа. II Электричество. 1946, т. 5, с. 44-48.

36. Болотов А.В., Козырев А.В., Колесников А.В., Королев 1(3.Д., Работкин В.Г., Шемякин А.И. Обрывы тока в импульсном разряде низкого давления,инициируемом путем принудительного зажигания катодного пятна // ЖТФ. -1991, т. 61, № 1, с. 40-45.

37. Дюжев Г.А., Старцев Е.А., Школьник С.М. Ограничение тока в полом катоде при низком давлении. //ЖТФ. 1978, т.48, с. 2495-2499.

38. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла:

39. Пер. с англ. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича. - ML: Мир, 1967. -506 с.

40. Бериш Р., Виттмак К. Распыление ионной бомбардировкой / -1998. -551с.

41. Моргулис Н.Д., Тигценко В.Д. Исследование катодного распыления в припороговой области I. // ЖЭТФ. 1956. т. 30, № 1, с. 54-59.

42. Handoo А.К., Ray Р.К. Sputtering of cobalt and chromium by argon and xenon ions near the threshold energy region. // Can. J. Pin s. 1993, v. 71, № 3&4, p. 155158.

43. McKeown D. A new measurement method of sputtering near threshold energies. // Rev. Sci. Instr, 1961, v.32. p. 133.

44. Langsberg E. Analysis of low-energy sputtering. // Phys. Rev. 1958, v.l 11, № 1, p.91.97.

45. Wehner G.K. Controlled sputtering of metals by low-energy Hg ions. // Phys. Rev. 1956, v. 102, №3, p. 690-704.

46. Wehner G.K. Low-energy sputtering yields in Hg+. // J. Appl. Phys., 1958, v.l 12. № 3, p. 1120-1124.

47. Stuart R.Y., Weimer G.K. Sputtering thresholds and displacement energies. // Phys. Rev. Letters. 1960, v. 4, № 8, p. 409-410.

48. Wehner G., Medicus G. Sputtering by low speed ions. //Journ. Appl. Phys., 1954. v.25. p. 698.

49. Stuart R.V., Wehner G.K. / Annual report No. 2243, General Mills, Minneapolis 3, Minnesota, November 1961.

50. Harrison D.E., Magnuson G.D. Sputtering thresholds. // Phys. Review. 1961, v. 122, №5, p. 1421-1430.

51. Справочник химика. В 3 т. / Ред. Б.П. Николькский. Изд. 3. Л.: Химия, 1971. т. 1,-684 с.

52. Каган Ю.М., Перель В.И. Зондовые методы исследования плазмы // УФН. -1963, т. 81, №3. с. 409-452.

53. Чен Ф. Электрические зонды // Диагностика плазмы / Под ред. Хадлстоуна Р.И. и Леонарда С. Пер. с англ. М., 1967, с. 94-133.

54. Алексеев Н.И., Каплан В.Б., Марциновский A.A. Исследование физических процессов в плазменных ключевых элементах с крупноструктурной сеткой. I Стационарное проводящее состояние. // ЖТФ, 1992, т. 62, № 9, с. 70-83.