Исследование прикатодных процессов в устройствах сильноточной электроники

Олещук, Олег Валентинович

Исследование прикатодных процессов в устройствах сильноточной электроники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Олещук, Олег Валентинович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Петрозаводск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2003 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование прикатодных процессов в устройствах сильноточной электроники»

Автореферат диссертации на тему "Исследование прикатодных процессов в устройствах сильноточной электроники"

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОЛЕЩУК ОЛЕГ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИКАТОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВАХ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

(01.04.04 физическая электроника )

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Петрозаводск 2004

Работа выполнена в лаборатории кафедры электронных и ионных приборов физико-технического факультета Петрозаводского государственного

университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Сысун В.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Фурсей Г.Н.

кандидат физико-математических наук, доцент Слышов А. Г.

Ведущая организация: Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе.

Защита состоится в часов на заседании

диссертационного совета К 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185640, Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан

2004г.

Учёный секретарь диссертационного совета:

доктор физико-математических наук

Стефанович Г.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время результаты исследований сильноточного вакуумного разряда используются для разработки и создания: вакуумных коммутаторов силовой энергетики, вакуумных управляемых разрядников для систем защиты радиоэлектронных устройств, плазменных напылительных установок, ионных источников для модификации свойств материалов, двигателей космических аппаратов, и интенсивных источников рентгеновских и электронных пучков. Тенденции развития этих направлений предполагают увеличение коммутируемых токов и напряжений, расширение диапазона применяемых материалов, переход от стационарного к импульсному режиму работы, поиск эффективных способов управления динамическими и эмиссионными характеристиками катода и пространственно-временным распределением параметров плазменного потока. Всё это требует дополнительных исследований приэлектродных процессов сильноточных разрядов, получения новых знаний по влиянию условий разряда на динамические и эмиссионные характеристики катодных пятен на твёрдых металлических катодах, на ртутном катоде со свободным и фиксированным пятном, пространственно-временному распределению и энергетическому составу катодных потоков плазмы, взаимодействию плазменных потоков с магнитными полями и с электродами.

Накопление экспериментальных данных одновременно с расширением круга исследованных материалов катода и условий эксперимента является актуальной задачей не только для практических приложений, но и для развития теории катодного пятна - задачи, не утратившей значения и актуальности.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованиям динамики развития эмиссионной зоны и характеристик плазменного потока с катодных пятен в сильноточных импульсных вакуумных разрядах на твёрдых катодах из чистых металлов, а также жидком ртутном и фиксацией катодного пятна.

Научная новизна. Впервые экспериментально исследована динамика катодных пятен на линии фиксации Мо-Б в диапазоне токов до 120кА и скоростях нарастания до 109А/с. Показано, что скорость удлинения линии фиксации зависит не только от величины мгновенной линейной плотности тока, но и от скорости нарастания тока. Определена предельная скорость удлинения линии фиксации в системе Б^Мо равная (2,7±0,3)-105см/с (скорость одного края 1,3-105см/с), а также предельная линейная плотность тока фиксации - (1,5-5-2)-103А/см.

Экспериментально измерены зависимости скорости ретроградного движения катодных пятен от тангенциального магнитного доля с

I НАЦИОНАЛЬНАЯ I 0 I БНБЛИОГСКЛ / 3

1 СПсте^г . |

< О» и» Л.--/У/) 1

индукцией 0,002-5-0,15Тл в сильноточном разряде для ряда твёрдых катодов из И, V, Мо, Бп, Ъа, РЬ, Си, А1, Та, У. Для V, Бп, Хп, А1, W,

Та, 1Л такие измерения проделаны впервые. Для других металлов исследования проведены в более широком интервале магнитного поля и повышена точность результатов за счёт большого массива измерений и применения статистических методов обработки результатов. Экспериментально показано, что в сильноточном разряде при скорости нарастания тока менее 108А/с динамика пятен определяется только мгновенным значение индукции магнитного поля и материалом катода. При скоростях нарастания тока более 108А/с обнаружено её существенное влияние на скорость ретроградного движения пятен. Измеренный для титанового катода в диапазоне 108-т-109А/с коэффициент увеличения скорости в линейном приближении равняется

Для титанового катода исследована динамика пятен при дополнительном наложении на сильноточный разряд аксиального магнитного поля с индукцией до 0,06Тл. Показано, что с ростом магнитного поля снижается подвижность пятен до участка насыщения скорости, но величина скорости насыщения остается постоянной. Кольцеобразная структура пятен преобразуется в круговую, со сплошным заполнением пятнами и наблюдается снижение тока на пятно и групповое вращение пятен в зависимости от направления поля.

Экспериментально измерены зависимости скорости ретроградного движения катодных пятен от внешнего тангенциального поля с индукцией до 0,15Тл для катодов А1, Си, Мо и тока на пятно в диапазоне 50-500А. Обнаружено, что с ростом тока на пятно растёт подвижность пятен, а скорость приближается к общей скорости насыщения. Показана идентичность динамики катодных пятен в сильноточном разряде и во внешнем магнитном поле.

Экспериментально измерены угловые распределения суммарного потока плазмы с катода (С, А1, Т1, РЬ) в сильноточном разряде при токах до 2-5-5кА и кольцеобразном расширении эмиссионной зоны. Показано, что профиль распределения определяется током разряда, размером эмиссионной области, и материалом катода.

Научно-практическая значимость работы. Экспериментально получены данные по подвижности катодных пятен на холодном катоде для ряда металлов, в том числе для ртутного катода с фиксированным пятном в широком диапазоне разрядных условий. На основе этих результатов предложены формулы для расчёта размеров катода мощных коммутаторов и разрядников, а также для других различных устройств электронной техники в зависимости от параметров импульса тока, материала катода и внешнего магнитного поля. 4

Результаты исследований по динамике плазменных потоков применимы для разработки импульсных методов и устройств напыления однородных покрытий большого диаметра.

На защиту выносятся:

1. Для фиксированного катодного пятна в системе МоН§, обнаружены предельная скорость расширения и предельная плотность тока определяющие динамические и токовые характеристики данного типа катода.

2. Экспериментальные зависимости скорости ретроградного движении катодных пятен от индукции магнитного поля на чистых металлических катодах в сильноточном импульсном разряде, без магнитного поля и при наложении внешнего аксиального магнитного поля. Установлено, что данные зависимости имеют нелинейный вид и определяются материалом катода, величиной индукции внешнего магнитного поля и скоростью нарастания тока.

3. Экспериментальные зависимости скорости одиночных катодных пятен от величины внешнего тангенциального магнитного поля и тока на пятно. Обнаружено, что существуют значения тока группового пятна, определяемые материалом катода и индукцией внешнего магнитного поля, при котором групповое катодное пятно обладает максимальной подвижностью и устойчивостью. Снижение тока уменьшает подвижность, а увеличение приводит к делению группового пятна.

4. Экспериментальные данные и результаты компьютерного моделирования углового распределения плазменного потока в импульсном разряде.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Всероссийских конференциях по физике низкотемпературной (ФНТП-95 Петрозаводск) и (ФНТП-98 Петрозаводск), Российской научно-техническая конференции " Новые материалы и технологии" (Москва, 1997), V- Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск 1984), ХУШ-международном симпозиуме по разряду и электрической изоляции в вакууме (Эйндховен 1998), 1- международном конгрессе по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск 2000), ХХ-международном симпозиуме по разряду и электрической изоляции в вакууме (Тур 2002).

Основные результаты диссертации опубликованы в виде статей и тезисов докладов и материалов конференций, список которых приведён в конце автореферата.

Личный вклад автора. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы получены лично автором.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 184 стр., включая 65 рисунков, 8 таблиц и 125 наименований библиографических ссылок на 11 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана краткая аннотация работы, показана новизна проведённых исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе представлен анализ литературных данных по экспериментальным и теоретическим исследованиям динамических и эмиссионных характеристик катодных пятен вакуумного разряда с холодным катодом. Рассмотрены данные: по динамике пятен на свободной ртути и с фиксацией на границе «металл - жидкая ртуть», поведению пятен в сильноточном импульсном разряде на твёрдых катодах, а также по подвижности единичных пятен во внешнем магнитном поле. Проанализированы различные теоретические гипотезы ретроградного характера движения пятен. Существующие данные по зависимости подвижности пятен от индукции магнитного поля представлены для небольшого числа металлов и противоречивы. Данные показывают, что влияние скорости нарастания тока до 109А/с и выше на динамику пятен практически не исследовано. Для фиксированного ртутного катода, имеющего ряд преимуществ, одно из которых заключается в стабилизации зоны привязки пятен, отсутствуют данные по предельным значениям линейной плотности тока. Наложение аксиального магнитного поля оказывает существенное влияние на подвижность катодных пятен, поэтому исследования в данном направлении с расширением условий эксперимента и материалов катода представляют интерес для разработки методов управления катодным пятном.

Рассмотрены данные по характеристикам плазменных струй с катодных пятен; по концентрации, энергетическому, зарядовому и угловому распределению компонент, взаимодействию их с буферным газом, поведению во внешних магнитных полях. Угловое распределение ионного потока в струе одна из важных характеристик такого типа разряда в ионных и плазменных источниках. Профиль распределения компонент потоков с одиночных катодных пятен по литературным данным имеет вид от изотропного, до резко неоднородного. Для сильноточных разрядов эти распределения неизвестны.

В заключении раздела сформулированы цели работы.

Во втором разделе описаны экспериментальные исследования динамики фиксированного катодного пятна на импульсах тока

амплитудой до 120кА и скоростью нарастания тока до 109А/с. В экспериментальных макетах применялись фиксаторы Mo-Hg. Описана экспериментальная установка и методика обработки результатов. Динамика движения пятен в катодной области регистрировалась скоростным фотографированием с помощью ВФУ-1. Установлено существование предельного значения линейной плотности тока на линии фиксации, свыше которой начинается спонтанное образование на фиксаторе и жидкой ртути новых пятен. Измеренная предельная плотность тока составляет вели (1,5-ь2)103А/см. Скорость расширения линии фиксации ограничена на уровне (скорость одного края 1,3-105см/с). Без предварительной подготовки линии фиксации и скорости нарастания тока до (4-5)-108А/с все пятна находятся на линии фиксации (до полного заполнения).

Физическая модель явления, объясняющая экспериментальные результаты состоит в следующем. Стационарное фиксированное катодное пятно на линии фиксации состоит из отдельных элементарных пятен со средним током на пятно 1,2А, линейной плотностью тока 25А/см и видимым размером светящейся плазмы пятна 20-40мкм. Пятна непрерывно синхронно перемещаются при среднем расстоянии между пятнами 0,5 мм. При увеличении линейной плотности тока среднее расстояние между ними пропорционально уменьшается, что приводит к увеличению перекрывания их плазменных каналов при относительном движении. В свою очередь это приводит к возрастанию прикатодного падения напряжения, увеличению скорости образования катодных пятен и удлинению линии фиксации. Другой причиной удлинения линии фиксации может быть скорость нарастания тока dl/dt. В отличие от кольца пятен на твёрдом катоде, где каждое пятно может делиться, при фиксированном катоде образование новых пятен происходит преимущественно только на концах лини фиксации и при большой скорости нарастания тока естественное деление пятен обусловленное значением] не обеспечивает рост тока, что приводит к токовой перегрузке пятен, к дополнительному росту падения напряжения, к ускоренному образованию пятен и росту скорости удлинения линии фиксации. Таким образом, скорость удлинения линии фиксации должна состоять из двух компонент. Один обусловлен превышением плотности тока над нормальной, а второй необходимостью появления новых пятен, для обеспечения увеличения тока. Тогда

(1),

где а, Ь коэффициенты, определяемые характерными особенностями катода. При сочетании Однако при

линейной плотности тока кА/см расстояние между центрами

элементарных пятен уменьшается до 12 мкм и становится меньше видимого плазменного размера пятна. Это приводит к существенному возрастанию прикатодного падения напряжения, достаточного для образования и существования пятен на фиксаторе и жидкой ртути. С другой стороны ограничение плотности тока на уровне связывает величину коммутируемого тока и полную длину линии фиксации. Для токов 105А она должна составлять величину 50-70см. Один из вероятных способов повышения скоростных характеристик коммутатора, по-видимому, заключается в применении многозазорного параллельного устройства инициирования, или предварительном растягивании линии фиксации подготовительным разрядом. Выражение для расчёта скорости удлинения линии фиксации, позволяет рассчитывать длину линии фиксации для произвольного импульса тока.

На основе имеющихся экспериментальных данных проанализирована динамика катодных пятен на свободной ртути. Предложено выражение для расчёта скорости расширения эмиссионной зоны катода

у = аВ + Ь~ (2),

где значения коэффициентов, полученные на основе имеющихся экспериментальных данных, равняются, а=105см/с-Тл, Ь=1,3*10"4см/А. Первый член выражает ретроградное расширение радиуса кольца пятен в собственном магнитном поле разряда, когда v~B. Второй член, значимый при большой скорости нарастания тока (более 107А/с), связан с образованием "спонтанных" катодных пятен на внешней границе расширяющегося кольца. Коэффициент пропорциональности между скоростью роста радиуса кольца пятен и скоростью нарастания тока, определяет обратную величину предельной линейной плотности тока, при которой возросшее падение напряжения и приводит к образованию новых спонтанных пятен.

В третьем разделе описаны экспериментальные исследования динамики катодных пятен второго типа [1] в магнитном поле собственного тока в импульсном вакуумном разряде для твёрдых катодов из Воспроизводимость результатов

достигалась многочасовой откачкой и тренировкой катода разрядами, при давлении в рабочей камере не хуже Ю-6торр. Динамика явлений в катодной области регистрировалась скоростным фотографированием с

длительностью кадра до 1мкс. Параметры токового импульса варьировались в диапазоне: амплитуда 0,1 - ЮкА, длительность 0,1 - 5мс, скорость нарастания тока до 108А/с, форма импульса - демпфированная полусинусоида. В осесимметричных импульсных сильноточных вакуумных разрядах эмиссионная зона на катоде имеет вид расширяющейся кольцевой структуры из катодных пятен. Измерены зависимости скорости расширения кольцевой зоны для ряда металлов от величины собственного магнитного поля разрядного тока. Полученные зависимости у=ДВ) определяются материалом катода и индукцией магнитного поля (рис. 1-3).

Рис.1

В общем виде, зависимость имеет нелинейный вид. При малых В

наблюдается экспоненциальный рост v, далее с ростом индукции поля -линейный участок нарастания и участок насыщения скорости разбега пятен. На основе полученных зависимостей предложено выражения для радиальной скорости расширения кольца пятен от индукции собственного магнитного поля

у(В) = а(1 -е~ьв)с (3).

Коэффициенты для различных металлов приведены в таблице 1.

ВСГл) Рис.2

Таблица 1

Катод а Ь с Диапазон

(м/с) (1Лл) В,а„(Тл)

и • 100 400 4 0.002-0.01

1 А1 82 42 1 0.01-0.08

И 44 ; 111 1 0.005-0.15

' Си 5 28 65 ' 2 0.01-0.12

2п 31 29 2 0.005-0.055

Бп 58 67 2 0.005-0.05

. РЬ 38 44 2 0.005-0.055

Мо - 54 37 2 0.02-0.1

V . 87 17 1 0.01-0.08

• Та 43 • 24 1 0.04-0.15

• 60 15 1 0.02-0.07

ВСГл)

Рис.3

Исследования динамики пятен показали, что для индукции собственного поля менее примерно до 0,1Тл и скорости нарастания до 107- 108А/с скорость пятен зависит только от величины тангенциальной составляющей магнитного поля и не зависит от скорости нарастания тока. Другими словами, скорость пятен в данных условиях определяется мгновенным значением тока и геометрическим расположением пятен. Исследование динамики пятен в магнитном поле с индукцией более 0.2Тл в импульсном разряде требует скорости нарастания тока более 108А/с, поскольку скорость пятен равняется 30-50м/с. Для этого применялась схема разрядного контура с низкой индуктивностью. Межэлектродное расстояние в экспериментальном макете устанавливалось 3 - 5 мм, а фотографирование проводилось через отверстие в аноде с диаметром 10 -30мм. Экспериментально обнаружено для катода из титана, что при скоростях нарастания тока 108 - 109А/с, когда собственное магнитное поле превышает 0,2-0,ЗТл, скорость движения пятен нарастает от скорости насыщения 44м/с до 100м/с. Использованный метод не позволяет разделить влияние на скорость пятен отдельно скорости нарастания тока и

индукции собственного магнитного поля. Полученные экспериментальные результаты в пределах ошибки измерения хорошо аппроксимируются выражением

(4),

где У„ас скорость насыщения для титана 44м/с (рис.1), а коэффициент наклона равняется (2,5±0,3)*10"7 м/А Таким образом, зависимость радиальной скорости расширения пятен (т.е. изменение радиального размера кольца пятен) есть сложная функция магнитного поля и график зависимости У=А[В) имеет три участка. Первые два, включающие рост и область насыщения скорости, отражают переход от хаотического к строго направленному движению пятен, без изменения внутренней структуры пятен. Дальнейшее увеличение поля (третий участок) приводит к увеличению тока на групповое пятно, соответственному увеличению тока на групповое пятно и росту скорости пятен.

Для титанового катода также исследовано влияния внешнего аксиального магнитного поля с индукцией до 0,06Тл на скорость расширения кольца пятен в магнитном поле собственного тока (Рис.4-5). Экспериментально подтверждено, что наложение внешнего аксиального магнитного поля снижает наклон зависимости на первом участке.

С увеличением аксиального магнитного поля увеличивается количество пятен и уменьшается ток на пятно при одном и том же полном токе. Также изменяется характер распределения пятен по поверхности катода. От кольцеобразного он переходит к почти однородному заполнению площади круговой эмиссионной зоны. Траектории пятен становятся спиральными. Направление поля определяет направление вращения пятен. Для катода из титана в аксиальном магнитном поле 0,015 - 0,060Тл можно использовать приведённое выше выражение (3) с значениями коэффициента Ь, позволяющими рассчитывать размер эмиссионной зоны при заданных параметрах импульса тока (таблице 2).

Таблица 2.

Ваих (ТЛ) а (м/с) Ь (1Лл) с В,ап (Тл)

0.015 44 63 1 0,005-0,05

0.030 44 48 1 0,005-0,05

0.045 44 40 1 0,005-0,05

0.060 44 32 1 0,005-0,05

Как показывают экспериментальные результаты, интегральная картина расширения кольца пятен имеет вид древовидной структуры. Каждая ветвь или трек представляет собой групповое катодное пятно. Из

У = Унас+к

с11 сИ

литературы известно, что скорость группового пятна в тангенциальном магнитном поле заметно зависит от тока на него.

У(»Ус)

{г--

гИ ■•••И

.I1 и! • 1 5мТл

/ • ЗОХГл 1

у(м;о

002 0.03 0.04

Рис.4

0.03 В|Тл)

[

# г I- ЗМГя

м ¡•бОиТл 1

Рис.5

Одновременно, полученные выше результаты демонстрируют достаточно хорошую стабильность кольцевой структуры. Знание тока на трек, зависимость от величины действующего магнитного поля представляет интерес для объяснения динамических характеристик (т.е. полевого характера движения) и устойчивости структуры. Исследованию этого посвящен следующий раздел.

В четвёртом разделе приведены экспериментальные исследования динамики катодных пятен во внешнем тангенциальном магнитном поле с индукцией до 0,15Тл для катодов из А1, Си и Мо и током 50-500А. Внешнее магнитное поле получалось либо катушками с П-образным магнитопроводом, либо катушками Гельмгольца. Неравномерность величины индукции поля на рабочей поверхности катода менее 5%. Скорость движения пятен измерялась фотоэлектрическим способом. Траектория пятна проектировалась на экран с двумя щелями, за которыми располагался фотоумножитель. Измеренные зависимости скорости движения пятен от индукции тангенциальной составляющей имеют также нелинейный вид. С ростом величины индукции поля скорость группового пятна нарастает, а затем приближается к насыщению. С ростом тока на пятно увеличивается наклон зависимостей и величины скорости насыщения. Однако при достижении тока группового пятна определённого значения или превышающего его, вид зависимости v=f(B) перестаёт изменяться и сравнивается с измеренными зависимостями у=^) для сильноточного разряда. Интегральное фотографирование показало, что при дальнейшем увеличении тока происходит разделение на два группового пятна. На рис.6-7 показаны данные для меди. Для объяснения полученных результатов проведено исследование тока на

групповое пятно в сильноточном разряде, на прямоугольных импульсах тока с амплитудой в диапазоне существования на катоде 1-6 треков. В серии из 200-300 импульсов с равномерным распределением значения амплитуды тока разряда определялось среднее значение тока группового пятна (на трек) и дисперсия. Полученные распределения вероятности тока на групповое пятно близки к нормальным рис.8-9.

V(hIq)

т ии ом ал, од олг и<

ВСГп)

Рис.6

.VW

1 ....."1-1 - f-300А -г i--1 i

J-400A

| -500А -vT I ... Sfv

■ ' 1 t

■ /! •iit 1 1 1 1

0Л2 004 Ш Ш 01 0J2

ОД

В(Тл)

Рис.7

ISO 200 1(А)

0Л05

X X -Та ,-х »-Си

t'V/\ \

* : \ J г

.-** t I

100

»10

Рис.9

300

1(А)

Рис.8

Средние значения тока на трек, дисперсия и размер выборки приведены в таблице 3. Там же приведены литературные данные по значениям устойчивого тока на пятно [2, 3]. Результаты показывают, что в разрядах с полным током, значительно превышающем ток единичного пятна, разряд осуществляется в виде групповых пятен с минимальным средним током на пятно, равным удвоенному значению устойчивого тока на пятно. При небольших значениях индукции магнитного поля среднее значение тока

сильноточном разряде автоматически устанавливается равным двойному току единичного пятна, как показано в работах Кесаева [4]. В этом случае, наблюдается наиболее благоприятный режим деления и, следовательно, перемещения пятен. Возможно, также такой режим энергетически оптимален. Исключение составляют данные по молибденовому и вольфрамовому катоду, кроме того, неизвестны также значения устойчивого тока пятна для тантала. Для титанового катода исследования тока на групповое пятно проведено для токов разряда до ЮкА. Результаты показывают, что для индукции менее 0,004Тл ток на групповое пятно на титане постоянен и равен. Далее с ростом индукции он линейно нарастает. Экспериментально подтверждено, что с ростом воздействующего на пятно тангенциального магнитного поля ток группового пятна с определённого предела есть нарастающая функция индукции магнитного поля. Данные, полученные для титанового катода качественно совпадают с известными результатами для медного и молибденового катодов [5].

Таблица 3

Материал катода. Ток на единичное пятно (А). Среднее значение тока не трек (А), ср. кв. отклонение, размер выборки.

Титан 70[1],42±14[2], 81 А, 16 (232)

Тантал ------------- 214А.36 (174)

Медь 75, 100 [11, 177 А, 49 (275)

Алюминий 30, 50 [1], 102 А, 19 (200)

Молибден 150 [1], 173 А, 36 (236)

Вольфрам 250,300 [1], 158А.35 (174)

Суммируя полученные результаты можно сделать следующее заключение. На чистых металлических катодах траектории движения катодных пятен представляют собой ветвящиеся непрерывные треки. Наложение внешнего магнитного поля спрямляет траекторию движения и уменьшает ветвление и количество треков. В сильноточном разряде, когда существует несколько треков, собственное магнитное поле способствует расхождению треков от места инициирования. Каждый трек представляет собой групповое катодное пятно, состоящее из индивидуальных ячеек или фрагментов. Жизнедеятельность группового пятна состоит в постоянном рождении, делении и отмирании фрагментов.

Таким образом, исследования динамики пятен в собственном магнитном поле сильноточного разряда и одиночных пятен во внешнем

поле показали её идентичный характер. Начальный участок нарастания скорости сменяется участком насыщения скорости. С ростом тока на групповое пятно растёт начальный наклон. Принципиальное отличие полученных нами результатов от известных заключается в том, что для тока группового катодного пятна больше удвоенного устойчивого значения тока, зависимость перестаёт зависеть от тока пятна, и в

пределах ошибки совпадает с аналогичной зависимостью полученной для динамики пятен в сильноточном разряде. Для меди и молибдена это наступает с токов примерно более 200А, а для алюминиевого катода более 100А. Полученные характеристики хорошо объясняют устойчивость движения кольца. Пятна с током, превышающим определённый предел, будут двигаться практически одинаково. Пятна с меньшим током будут отставать и отмирать. Основным фактором, определяющим симметрию кольца, его устойчивость и воспроизводимость является распределение магнитного поля вдоль поверхности катода. Большое количество пятен на кольце (10 и более) обеспечивает хорошую симметрию поля, поэтому кольца с большим количеством пятен характеризуются хорошей симметрией. При небольшом числе пятен, когда существенны неоднородности в распределении поля, отсутствует также симметрия и в расположении пятен. Расширяющаяся несимметричная структура из небольшого числа пятен сохраняет свою пропорциональность в процессе расширения. Это также отражает факт слабой зависимости скорости от индукции поля на участке насыщения.

В пятом разделе приведены исследования плазменного потока с катода в сильноточном импульсом разряде, когда эмиссионная зона представляет собой радиально расходящееся кольцо. Использовались катоды из С, Л1, Pb диаметром 70 - 90мм. Амплитуда и длительность импульса тока до 5кА, 2мс. Наложение аксиального поля в плоскости катода обеспечивает получение эмиссионная зоны также в виде круговой расходящаяся структуры, но с равномерным заполнением пятнами. Концентрация и температура электронов в потоке измерялась с помощью плоского зонда, и рассчитывались по однозондовой методике. Измерение углового распределения плазменного потока с катода по ионному току насыщения проводилось с помощью, либо набора плоских зондов, установленных на плоском держателе или подвижным плоским зондом, с осью вращения совпадающей с диаметром плоскости катода. Параметры плазменного потока измерялись на расстоянии от катода 8 - 30см. В общем виде, мгновенное угловое распределение зависит от параметров импульса тока и материала катода, которые в свою очередь определяют диаметр кольца пятен на катоде. С расширением кольца угловое распределение также уширяется.

Для тока около 100А, когда на катоде существует одно или два пятна, и пятна находятся около места инициирования, угловые распределения независимо от материала катода практически изотропны. С ростом тока профиль распределения становится уже. При токах 1 - 2кА они имеют вид отличный от изотропного или просто косинусоидального. Для ионов с меньшим атомным весом сужение распределения наступает при меньших токах. На это указывает сравнение угловых распределений для материалов с существенно различными атомными массами ионов (С, РЬ). Эти данные указывают на воздействие суммарного магнитного поля на индивидуальные токовые каналы. Для выяснения этого было промоделировано угловое распределение потока. Угловое распределение индивидуальных плазменных струй с пятен задавалась в аналитическом виде cosn(9). Для произвольного распределения пятен на кольце, рассчитывалось суммарное угловое распределение потока плазмы. Подбором показателя функции источника рассчитанное распределение приближалось к экспериментально полученному. Результаты показывают, что для титанового катода в начальной фазе разряда угловое распределение ионного потока плазмы описывается выражением cos(9) в степени более 8. С расширение кольца пятен показатель уменьшается до степени 2-4. По-видимому, сужение суммарного углового распределения потока вызывается собственным магнитным полем тока разряда. Экспериментально измерены угловые распределения при воздействии на разряд магнитного поля с индукцией до 0.1 Тл получаемой с помощью катушки прямоугольного сечения расположенной в плоскости катода. Воздействие аксиально-симметричного расходящегося магнитного поля на катодную зону эмиссии и плазменный поток выражается в расширении углового распределения и пространственной сепарации потока, поскольку плазма движется в основном по силовым линиям магнитного поля.

Для оценки полученных экспериментальных данных проводилось моделирование истечения осесимметричного плазменного потока в вакуум в двумерном МГД приближении для двухкомпонентной плазмы. Поскольку в области разлёта плазмы с пятен несущественны процессы возбуждения, ионизации или рекомбинации вместо уравнения для энергии использовались уравнения состояния для двух случаев: изотермического и адиабатического случая

Начальное распределение плазменного потока задавалось в виде однородного цилиндрического потока. Моделирование проводилось методом крупных частиц в цилиндрической системе координат [6]. Рассчитывались случаи бестокового и плазменного потока с разрядным током, в предположении пропорциональности плотности тока и среднемассовой скорости потока. Радиальное расширение бестокового

плазменного потока определяется газокинетическим электронным и ионным давлением или числом Маха (М=2-г20). Рассчитанные в адиабатическом случае радиальные профили примерно 1,5 раза уже, чем в изотермическом. В среднем поток из прямоугольной формы в гауссовский профиль релаксирует примерно на расстоянии - начальный

радиус потока. С увеличением среднего заряда иона или электронной температуры (увеличением ионной скорости звука) увеличивается угловое распределение потока. Осевое ускорение потока из-за спада концентрации при М более 3 незначительно и поток тоже слабо расширяется, что также соответствует экспериментальным данным. Для токового плазменного потока рассчитывались профили концентрации и осевой плотности тока для различных соотношений числа М, полного тока (1-103А) и начальных параметров. Коэффициент пропорциональности полного тока и ионного потока в струе принимался равным Полученные результаты численного моделирования

плазменного потока и экспериментальные результаты достаточно хорошо совпадают. Для тока 102А и менее сжатие собственным магнитным полем потока незначительно. Дальнейшее увеличение тока, что соответствует группированию пятен, показывает, что сжатие преобладает над расширением.

В заключении перечислены основные результаты и выводы по работе: 1. Экспериментально исследована динамика фиксированного

катодного пятна на ртути на фронтах импульсов тока амплитудой до 120кА и скоростью нарастания тока 108-109А/с. Показано, что скорость удлинения линии фиксации зависит не только от величины линейной плотности тока, но и от скорости нарастания тока. Скорость расширения линии фиксации ограничена на уровне (2,7±0.3)-105см/с (скорость одного края 1,3-105см/с). При скорости нарастания тока до (3-5-4)-108 А/с все пятна находятся на линии фиксации (до полного заполнения). При большей скорости нарастания наблюдался уход пятен на свободную ртуть или крышку фиксатора. Измерениями установлена предельная линейная плотность тока, которая имеет величину Предложена физическая модель явления. Получено выражение для расчёта скорости удлинения линии фиксации, позволяющее рассчитывать длину линии фиксации для произвольного импульса тока. Результаты позволяют сделать заключение о применимости катода с фиксированным катодным пятном.

2. На основе имеющихся экспериментальных данных проанализирована динамика катодных пятен на свободной ртути. Предложено выражение для расчёта эмиссионной зоны катода для заданных параметров импульса тока. Динамика катодных пятен на ртутном катоде определяется двумя процессами - магнитным расталкиванием пятен и стимулированным образованием пятен под действием расширяющейся катодной плазмы.

3. Экспериментально исследована динамика катодных пятен в сильноточного разряде для ряда металлических катодов из

V, Mo, Sn, Zn, ?Ь, Л1, W, Та, Li в диапазоне

тангенциального магнитного поля с индукции от 0,002 до 0,15Тл и скорости нарастания тока до 108А/с. Полученные зависимости определяются материалом катода и

индукцией собственного магнитного поля разряда. В общем виде, зависимость имеет нелинейный вид. При малых

В наблюдается участок нарастания, и далее насыщения значения скорости ретроградного движения пятен. Для катода из титана исследована динамика пятен при скорости нарастания тока до 108-109А/с. Показано, что скорость пятен вновь начинает нарастать при скоростях нарастания тока более 108А/с.

4. Экспериментально подтверждено, что наложение внешнего аксиального магнитного поля снижает подвижность пятен на начальном участке зависимости слабо влияя на величину скорости насыщения. Обнаружено, что с увеличением аксиального магнитного поля уменьшается ток на пятно и изменяется характер распределения пятен по поверхности катода. Распределение пятен становится почти однородным по всей внутренней поверхности кольца. Кроме того, также наблюдается появление азимутальной компоненты скорости пятен. Направление закручивания зависит от направления аксиального магнитного поля. Для исследованных материалов катода в аксиальном магнитном поле получены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать размер эмиссионной зоны при заданных параметрах импульса тока.

5. Экспериментально показано для катодов из А1, Мо и Си, что подвижность катодных пятен во внешнем тангенциальном магнитном поле есть функция как величины тока на групповое пятно, так и индукции магнитного поля. Однако,

для тока на групповое пятно равного или превышающего удвоенное значение устойчивого тока единичного пятна зависимость скорости от индукции магнитного поля перестаёт зависеть от тока группового пятна и определяется только индукцией магнитного поля. При этом зависимости скорости от индукции поля совпадают с аналогичными зависимостями, полученными в сильноточных разрядах. Воздействие внешнего к пятну магнитного поля определяется соотношением нормальной и тангенциальной компонент. Нормальная компонента поля снижает скорость дрейфа и среднее значение тока на пятно. Наоборот, тангенциальная компонента магнитного поля увеличивает ток пятна. Ток группового пятна автоматически подстраивается под величину и направление действующего поля.

6. Экспериментально измерено и численно промоделировано

поведение плазменного потока с катода в сильноточном импульсном разряде. Измерены угловые распределения ионного потока для ряда материалов катода. Результаты моделирования позволяют объяснить полученные экспериментальные данные.

В приложении Ш приведены таблицы данных по динамике катодных пятен.

В приложении П2 приведена методика расчёта характеристик динамики пятен на твёрдых катодах (к разделу 3). В приложении ПЗ приведена разработка системы уравнений моделирования плазменного потока.

Основные результаты опубликованы в виде статей и докладов конференций:

1. Брецких А.Ф., Олещук О.В., Сысун В.И., Хромой Ю.Д. Предельные режимы фиксации катодного пятна. Материалы Российской конференции ФНТП-95 "Физика низкотемпературной плазмы". Петрозаводск, 1995, с. 183-185.

2. Олещук О.В., Сысун В.И., Брецких А.Ф., Гура П.С. Широкоапертурный импульсный источник плазмы паров металлов. Материалы Российской конференции ФНТП-95 "Физика низкотемпературной плазмы". Петрозаводск, 1995, с.400-401.

3. Сысун В.И., Олещук О.В., Гура П.С. Высокоионизованная холодная плазма для специальных приложений и методы ее исследования. Материалы Российской конференции ФНТП-95 "Физика низкотемпературной плазмы". Петрозаводск, 1995, с.449-452.

4. Брецких А.Ф., Олещук О.В., Сысун В.И., Хромой Ю.Д. Фиксации катодного пятна при импульсных токах разряда. III. Предельный режим. ЖТФ,Ш1,1995.

5. А.Ф. Брецких, В.А Гостев, П.С. Гура, А.В. Недоспасов, О.В. Олещук, В.И. Сысун. Универсальный литиевый источник плазмы на основе вакуумного разряда. Материалы Российской конференции ФНТП-98 "Физика низкотемпературной плазмы". Петрозаводск, 1998, с.581-582.

6. Олещук О.В. Расчёт электропроводности ртутной плазмы. Электронные и ионные процессы в газах и твёрдых телах. Петрозаводск. 1980. 19-21.

7. О.В. Олещук, А.Ф. Брецких, В.И. Сысун. Динамика катодных пятен сильноточного импульсного разряда в аксиальном магнитном поле. Материалы Российской конференции ФНТП-98 "Физика низкотемпературной плазмы". Петрозаводск, 1998, с.205-208.

8. О.В. Олещук, А.Ф. Брецких, В.И. Сысун. Динамика катодных пятен сильноточного импульсного разряда в аксиальном магнитном поле. Известия Академии Наук. Серия физическая. 1999, т.63, №11, с.2265-2268.

9. Бородин В.И., Гура П.С, Олещук О.В., Сысун В.И. Источник металлической плазмы на основе вакуумного разряда в неоднородном

магнитном поле. Российская научно-техническая конференция " новые материалы и технологии" МЛ 997. С.231. (1стр.)

10. Oleschuk O.V., Sysun V.I. The dynamics of cathode spot in high current vacuum arc. 1 International Congress on Radiation Physic, High Current Electronics and Modification of Materials. Tomsk 2000.

11. Oleschuk O.V., Sysun V.I. Pulse metal ion source. 1 International Congress on Radiation Physic, High Current Electronics and Modification of Materials. Tomsk 2000.

12. Oleschuk O.V., Bretskih A.F., Sysun V.I. The motion of cathode spot in self magnetic field of high current arc discharge. XVIIIISDEIV, August 1998. Eindhoven, v.l. pp.318-320.

13. Oleschuk O.V., Sysun V.I. Cathode spot dynamics in high current vacuum discharge under high velocity current increasing. XX ISDEIV, July 2002. Tours pp.498-501.

Список цитированной литературы.

1. Любимов Г.А., Раховский В.И. Катодное пятно вакуумной дуги // УФН.-1978.-Т.125.-Вып.4.-С.665-706.

2. Вакуумные дуги. Под ред. Дж. М. Лафферти. -М: Мир, 1982.

3. Swift P.D. et. al., Cathode spot phenomena in titanium vacuum arcs // J. Appl. Phys.-1989.-V.66.-№2.-P. 505-512.

4. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. -М: Наука. 1968.

5. Перский Н.Е., Сысун В.И., Хромой Ю.Д. Динамика катодных пятен вакуумной дуги // ТВТ.-1989.-Т.24.-№6.-С.1060-1067.

ЛР ИД № 02969 от 06.10.2001 Гигиенический сертификат №10.КЦ.34.953.П.00136.03.99 от 05.03.99. Подписано к печати 03.02.04. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Уч-изд. л. 1. Усл. кр. -отт. 6. Тираж 100 экз. Изд. №14.

Петрозаводский государственный университет Типография Издательства Петрозаводского государственного университета

185640, г.Петрозаводск, пр.Ленина, 33.

S- 3489

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Олещук, Олег Валентинович

Введение.

1. Динамические и эмиссионные характеристики катодных пятен в вакуумном дуговом разряде (литературный обзор).

1.1. Введение.

1.2. Динамика катодных пятен на свободной ртути.

1.3. Динамика фиксированного катодного пятна на ртути.

1.4. Динамика катодных пятен в сильноточном разряде на твёрдых металлических катодах.

1.5. Динамика одиночных катодных пятен во внешнем магнитном поле.

1.6. Ретроградное движения катодных пятен.

1.7. Энергетическое распределение ионов в катодной струе.

1.8. Угловое распределение ионного потока.

1.9. Моделирование катодной струи.

1.10. Постановка задачи.

2. Экспериментальные исследования динамических характеристик катодных пятен на ртутном катоде

2.1. Динамика фиксированного катодного пятна в предельных режимах

2.1.1. Экспериментальный макет и методика эксперимента.

2.1.2. Экспериментальные результаты.

2.1.3. Обработка и обсуждение результатов.

2.2. Динамика катодных пятен на свободной ртути.

2.3. Выводы.

3. Динамические характеристики катодных пятен на твёрдых катодах в сильноточном разряде

3.1. Экспериментальная установка.

3.1.1. Вакуумная установка.

3.1.3. Внешняя магнитная система.i.

3.2. Динамика пятен в сильноточном разряде

3.2.1. Экспериментальные макеты.

3.2.2. Методика эксперимента.

3.2.3. Расчёт собственного магнитного поля разряда на поверхности катода.

3.2.4. Обработка экспериментальных результатов.

3.3. Сильноточный разряд в аксиальном магнитном поле.

3.4.Динамика катодных пятен при высокой скорости нарастания тока.

3.5. Обсуждение результатов и выводы.

4. Динамические характеристики катодных пятен во внешнем магнитном поле.

4.1. Экспериментальный макет и методика измерений.

4.2. Экспериментальные результаты.

4.3. Экспериментальные измерения тока на трек.

4.4. Обсуждение результатов и выводы.

5. Исследование характеристик плазменного потока с катода. 5.1.Экспериментальные измерения углового распределения ионного потока

5.1.1 .Экспериментальная установка.

5.1.2. Схема измерения зондового тока.

5.1.3. Расчёт пространственного распределения ионного потока.

5.1.4. Экспериментальные результаты.

5.2. Моделирование плазменной струи

5.2.1. Система уравнений.

5.2.2. Результаты расчётов.

5.3. Обсуждение результатов и выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование прикатодных процессов в устройствах сильноточной электроники"

Электрический дуговой разряд относится к числу открытых физических явлений природы, нашедших своё широкое применение раньше достигнутого приемлемого теоретического объяснения и уже одно это наилучшим образом характеризует его перспективность. Вследствие многогранности полезных свойств и простоте условий эксплуатации дуговой разряд занял и удерживает ключевые позиции в ряде отраслей науки и техники в качестве основного инструмента или технологического процесса [1]. Вакуумная дуга как разновидность дугового разряда, обладающая рядом уникальных свойств, тем не менее, получила применение несколько позже, после технологических достижений в материаловедении, получении и контроле высокого вакуума [2,3,4]. В настоящее время вакуумный разряд используется в таких аппаратурных и технологических направлениях как: вакуумные коммутаторы силовой энергетики, вакуумные управляемые разрядники, плазмохимические и плазменные напылительные установки, ионные источники для модификации свойств материалов, двигатели космических аппаратов, в генераторах рентгеновских и электронных пучков [2-9].

Коммутаторы с ртутным катодом по характеристикам разряда также можно отнести к классу вакуумных приборов. Долголетие этих приборов связано со свойствами ртутного катода: легкостью возбуждения катодного пятна, практически неограниченной эмиссией и неизнашиваемостью. Разработка и совершенствование коммутаторов типа игнитрон и экситрон было обусловлено широким использованием их в преобразовательной технике и импульсном сварочном производстве. Дальнейшее развитие приборов с ртутным катодом в наибольшей степени было связано с инженерными проблемами управляемого термоядерного синтеза, в том числе и лазерного, магнитоимпульсной и электрогидравлической обработкой материалов, а также некоторыми специальными приложениями. В результате в нашей стране и за рубежом были разработаны разрядники на уровень токов 200-300кА и напряжение 1050кВ [10]. И в настоящее время игнитронные разрядники остаются вне конкуренции в области коммутации больших мощностей. Однако, достигнутый уровень оказался недостаточен с точки зрения перспектив применения, и актуальным является разработка коммутаторов на токи до 106А, со скоростью нарастания 109А/с и выше и коммутируемым количеством электричества до ЮООКл [11, 12]. Разработка таких приборов требует существенного изменения основ конструирования, которые в свою очередь немыслимы без глубокого понимания физики сильноточного разряда, поскольку с повышением уровня коммутируемых токов выше ЮОкА обнаружился ряд факторов снижающих необходимый ресурс. Наиболее серьёзные из них: большое падение напряжения в режиме коммутации тока, эрозия анода под действием анодных пятен, разрушение поджигающего устройства из-за неконтролируемого поведения канала разряда. В работе [12] предложен ряд направлений исследований которые, по мнению авторов, позволят повысить характеристики приборов. Одно из них заключается в применении катода с фиксированным пятном, который имеет ряд преимуществ; контроль зоны эмиссии, уменьшение межэлекродного зазора, снижение падение напряжения и вероятности появления анодной нестабильности, повышение деионизационных характеристики, при этом сохраняя наиболее важное свойство ртутного катода - неизнашиваемость. Такие катоды использовались в специальных типах сильноточных коммутирующих приборов [10]. Однако характеристики таких катодов по предельной плотности тока и динамике катодной зоны не исследованы.

Несмотря на неоспоримые преимущества, приборы с ртутным катодом обладают и специфическими недостатками: узким температурным рабочим диапазоном, требованием определённой пространственной ориентации, существенным периодом деионизации т.е. непригодны для работы на частотах коммутации 103Гц и выше. Вакуумные коммутаторы с холодным твёрдым катодом не имеют подобных недостатков и, кроме того, обладают важным преимуществом - высоким рабочим напряжением изоляции. Разработаны отечественные вакуумные разрядники на коммутируемый ток до 170кА и количество электричества за импульс ЮОКл [13]. Повышение характеристик разрядников такого типа заключается в разработке устройств инициирования с высокими пусковыми характеристиками, снижении эрозии электродов, и обеспечение ресурса 106 импульсов и более. В свою очередь для этого необходимы экспериментальные данные по: динамике катодных пятен на твёрдых катодах в широком диапазоне параметров импульса тока, в том числе и при воздействии магнитного поля сложной конфигурации, взаимодействию катодных струй с электродами. Частично, эти проблемы существуют и для другого класса приборов - вакуумных размыкателей.

Реализация плазменных технологических процессов в вакууме открывает качественно новые возможности в технологии обработки и получения материалов. Источники плазмы на основе вакуумно-дугового разряда имеют в настоящее время два наиболее важных применения, - в установках для получения плёночных покрытий с высокими адгезионными свойствами и в качестве эмиссионных узлов ускорителей ионов [5-8, 14]. Они разделяются по режиму работы на источники постоянного и импульсного действия. Источники постоянного тока работают в режиме одиночного катодного пятна (КП), имеют довольно узкий диапазон производительности, поскольку ток дуги ограничен снизу устойчивостью КП (для тугоплавких электродов это 200-300А), а сверху переходом в режим интенсивного плавления катода, с привязкой пятен к границам фаз и резким увеличением капельной фракции в плазменной струе. Использование внешнего магнитного поля совместно позволяет частично повысить характеристики и ресурс работы. Импульсные источники позволяют получать плотности потока плазмы на один два порядка больше, чем источники постоянного действия. Кроме того, при реализации частотно-импульсного режима питания обеспечивается регулировка параметров в широких пределах. Однако источники такого типа имеют низкий ресурс, в основном из-за узла инициирования, поскольку конструируются обычно без учёта свойств КП и, прежде всего их динамики. Анализируя существующую ситуацию, следует отметить, что проблема увеличения ресурса работы импульсных источников плазмы, может быть решена при обеспечении равномерности износа катода и повышения ресурса и надежности срабатывания узла инициирования. В работе [15] предложена конструкция импульсного источника плазмы паров металлов с большой поверхностью катода реализующая динамические свойства КП. Существенный недостаток присущий напылительным установкам на основе вакуумно-дугового разряда заключается в наличии в плазменном потоке капельной фракции, ограничивающей применимость метода. Использование магнитных сепараторов, типа четвертьтороидальных систем, заметно снижает производительность установки [14]. Поиск новых способов сепарации и эффективного управления процессом требует проведения исследований взаимодействия импульсных плазменных потоков с магнитными полями сложной конфигурации.

Таким образом, для упомянутых выше устройств сильноточной электроники направление исследований вакуумного разряда практически совпадают. Это - динамика катодных пятен, катодные потоки плазмы, их пространственно-временное распределение, состав и энергетические распределения компонент, взаимодействие плазменных потоков с магнитными полями, взаимодействие их с электродами, условия образования анодных пятен. Иными словами свойства и характеристики вакуумного дугового разряда с холодным катодом и небольшими межэлектродными расстояниями в доминирующей степени определяются приэлектродными процессами вакуумного разряда.

В числе фундаментальных направлений исследований физики электрического разряда в газах низкого давления и вакууме, исследование катодного пятна вот уже в течение целого столетия занимает весьма заметное место. Тем не менее, проблема ещё далека от завершения, несмотря на проделанный объём теоретических и экспериментальных исследований. Связано это как с пространственно временными характеристиками пятна, так и с критическими параметрами плазмы для имеющихся методов диагностики. Таким образом, накопление экспериментальных результатов одновременно с расширением круга исследуемых материалов катода и условий эксперимента является актуальной задачей не только для практических приложений, но и для фундаментальных исследований по теории катодного пятна.

Цель работы.

Диссертационная работа посвящена исследованиям динамики эмиссионной зоны и характеристик плазменного потока с катодных пятен в сильноточных импульсных вакуумных разрядах на твёрдых катодах из чистых металлов, а также жидком ртутном и с фиксацией катодного пятна.

Научная новизна.

Впервые экспериментально исследована динамика катодных пятен на линии фиксации Mo-Hg в диапазоне токов до 120кА и скоростях нарастания до 109А/с. Показано, что скорость удлинения линии фиксации зависит не только от величины мгновенной линейной плотности тока, но и от скорости нарастания тока. Определена предельная скорость удлинения линии фиксации в системе HgMo равная (2.710.3)- 105см/с (скорость одного края 1.3-105см/с), а также предельная плотность тока фиксации -(1.5-г-2)-103А/см.

Экспериментально измерены зависимости скорости ретроградного движения катодных пятен от тангенциального магнитного поля с индукцией 0,002-Ю,15Тл в сильноточном разряде для ряда твёрдых катодов из Ti, V, Mo, Sn, Zn, Pb, Cu, Al, W, Та, Li. Для V, Sn, Zn, Al, W, Та, Li такие измерения проделаны впервые. Для других металлов исследования проведены в более широком интервале магнитного поля и повышена точность результатов за счёт большого массива измерений и применения статистических методов обработки результатов. Экспериментально показано, что в сильноточном разряде при скорости нарастания тока менее 108А/с динамика пятен определяется только мгновенным значение индукции магнитного поля и материалом катода. При скоростях о нарастания тока более 10 А/с обнаружено её существенное влияние на скорость ретроградного движения пятен. Измеренный для титанового a q катода в диапазоне 10 -НО А/с коэффициент увеличения скорости в у линейном приближении равняется (2,5±0,3)*10" м/А.

Экспериментально измерены угловые распределения суммарного потока плазмы с катода (С, Al, Ti, Pb) в сильноточном разряде при токах до 2-г5кА и кольцеобразном расширении эмиссионной зоны. Показано, что профиль распределения определяется током разряда, размером эмиссионной области, и материалом катода.

На защиту выносятся:

1. Для фиксированного катодного пятна в системе MoHg, обнаружены предельная скорость расширения и предельная плотность тока определяющие динамические и токовые характеристики данного типа катода.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на: Всероссийских конференциях по физике низкотемпературной (ФНТП-95 Петрозаводск) и (ФНТП-98 Петрозаводск), Российской научно-техническая конференции " Новые материалы и технологии" (Москва, 1997), V- Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск 1984), V-Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979), XVIII-международном симпозиуме по разряду и электрической изоляции в вакууме (Эйндховен 1998), 1- международном конгрессе по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск 2000), ХХ-международном симпозиуме по разряду и электрической изоляции в вакууме (Тур 2002).

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

Результаты работы могут быть использованы при разработке сильноточных коммутирующих приборов, а также для других различных устройств электронной техники в зависимости от параметров импульса тока, материала катода и внешнего магнитного поля. Результаты исследований по динамике плазменных потоков применимы для разработки импульсных методов и устройств напыления однородных покрытий большого диаметра.

Заключение

Работа посвящена исследованию динамических и эмиссионных характеристик катодных пятен в сильноточном импульсном разряде. Основные результаты работы следующие.

1. Экспериментально исследована динамика фиксированного катодного пятна на ртути на фронтах импульсов тока амплитудой

О о до 120кА и скоростью нарастания тока 10-10 А/с. Показано, что скорость удлинения линии фиксации зависит не только от величины линейной плотности тока, но и от скорости нарастания тока. Скорость расширения линии фиксации ограничена на уровне (2,7±0.3)-105см/с (скорость одного края 1,3-105см/с). При о скорости нарастания тока до (3-S-4)-10 А/с все пятна находятся на линии фиксации (до полного заполнения). При большей скорости нарастания наблюдался уход пятен на свободную ртуть или крышку фиксатора. Измерениями установлена предельная линейная плотность тока, которая имеет величину (1,5-7-2)-103 А/см. Предложена физическая модель явления. Получено выражение для расчёта скорости удлинения линии фиксации, позволяющее рассчитывать длину линии фиксации для произвольного импульса тока. Результаты позволяют сделать заключение о применимости катода с фиксированным катодным пятном.

2. ' На основе имеющихся экспериментальных данных проанализирована динамика катодных пятен на свободной ртути. Предложено выражение для расчёта эмиссионной зоны катода для заданных параметров импульса тока. Динамика катодных пятен на ртутном катоде определяется двумя процессами — магнитным расталкиванием пятен и стимулированным образованием пятен под действием расширяющейся катодной плазмы.

Экспериментально исследована динамика катодных пятен в сильноточного разряде для ряда металлических катодов из Ti, V, Мо, Sn, Zn, Pb, Си, Al, W, Та, Li в диапазоне тангенциального магнитного поля с индукции от 0,002 до 0,15Тл и скорости Q нарастания тока до 10 А/с. Полученные зависимости v=f(B) определяются материалом катода и индукцией собственного магнитного поля разряда. В общем виде, зависимость v=f(B) имеет нелинейный вид. При малых В наблюдается участок нарастания, и далее насыщения значения скорости ретроградного движения пятен. Для катода из титана исследована динамика пятен при скорости нарастания тока до 108-109А/с. Показано, что скорость пятен вновь начинает нарастать при скоростях Q нарастания тока более 10 А/с.

Экспериментально подтверждено, что наложение внешнего аксиального магнитного поля снижает подвижность пятен на начальном участке зависимости v=f(B), слабо влияя на величину скорости насыщения. Обнаружено, что с увеличением аксиального магнитного поля уменьшается ток на пятно и изменяется характер распределения пятен по поверхности катода. Распределение пятен становится почти однородным по всей внутренней поверхности кольца. Кроме того, также наблюдается появление азимутальной компоненты скорости пятен. Направление закручивания зависит от направления аксиального магнитного поля. Для исследованных материалов катода в аксиальном магнитном поле получены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать размер эмиссионной зоны при заданных параметрах импульса тока. Экспериментально показано для катодов из А1, Мо и Си, что подвижность катодных пятен во внешнем тангенциальном магнитном поле есть функция как величины тока-на групповое пятно, так и индукции магнитного поля. Однако, для тока на групповое пятно равного или превышающего удвоенное значение устойчивого тока единичного пятна зависимость скорости от индукции магнитного поля перестаёт зависеть от тока группового пятна и определяется только индукцией магнитного поля. При этом зависимости скорости от индукции поля совпадают с аналогичными зависимостями, полученными в сильноточных разрядах. Воздействие внешнего к пятну магнитного поля определяется соотношением нормальной и тангенциальной компонент. Нормальная компонента поля снижает скорость дрейфа и среднее значение тока на пятно. Наоборот, тангенциальная компонента магнитного поля увеличивает ток пятна. Ток группового пятна автоматически подстраивается под величину и направление действующего поля. 6. Экспериментально измерено и численно промоделировано поведение плазменного потока с катода в сильноточном импульсном разряде. Измерены угловые распределения ионного потока для ряда материалов катода. Результаты моделирования позволяют объяснить полученные экспериментальные данные.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Олещук, Олег Валентинович, Петрозаводск

1. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. -М: Наука. 1968.

2. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме.-М: Наука, 1970.

3. Вакуумные дуги. Под ред. Дж. М. Лафферти. -М: Мир, 1982.

4. Месяц Г.А. Эктоны. -Екатеринбург: Наука. 1993 Т. 1,2,3.

5. Физика и технология источников ионов. Под ред. Брауна Я.-М: Мир, 1998.6. 1th International congress on radiation physics, high current electronics, and modification of materials. Proceedings, -2000, -V.2-3, Tomsk. Russia.

6. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких плёнок. -Москва: Энергоатомиздат 1989.

7. Бугаев С.П. и др. Технологические источники ионов на основе вакуумного дугового разряда. // Известия Вузов, «Физика», -2001, №9, -с.22-27.

8. Абрамян Е.А., Тйьтеркоп Б.А., Кулешов Г.Д. Интенсивные электронные пучки. -М: Энергоатомиздат 1984.

9. Хромой Ю. Д. Мощные импульсные коммутирующие приборы с холодным катодом: Дис.доктора тех. наук: 05.27.02; Петрозаводск, 1985.-406с.

10. Loree D.L. and all. Recent advanced in high power ignitron development. /ЛЕЕЕ Trans, on Elect. Dev. -1991. -v.18. -№4. -p.720-725.

11. Khromoy Yu. D., Sysun V.I. Ways of creating of pulse controllable dischargerswith mercury cathode up to 106A.//XV-th ISDEIV-1992, Darmstadt.-P.607-610.

12. Алфёров Д.Ф. и др. Новое поколение сильноточных вакуумных управляемых разрядников.// -2001. -№4. -с.41 — 48.

13. АксеновИ.И. Вакуумно-дуговые источники фильтрованной плазмы: история теория практика перспективы.// Харьковская научная ассамблея ICVTE-6, 2003, с.238-258.

14. В.Олещук, В.И.Сысун, А.Ф.Брецких, П.С.Гура. Широкоапертурный импульсный источник плазмы паров металлов.// Физика низкотемпературной плазмы. ФНТП-95: Петрозаводск.-1995.-часть 3 — с.400-401.

15. Любимов Г.А., Раховский В.И. Катодное пятно вакуумной дуги // УФН.-1978.-Т. 125.-Вып.4.-С.665-706.

16. Кесаев И.Г. Катодные процессы ртутной дуги и вопросы её устойчивости. -М: Госэнегоиздат. 1961.

17. Перский Н.Е., Хромой Ю.Д. Динамика катодных пятен вакуумного разряда.-Петрозаводск:-изд-во ПГУ, 1989.-104с.

18. Аксёнов И.И., Хороших В.М. Потоки частиц и массоперенос в вакуумной дуге: -М.: ЦНИИАтоминформ, 1984.-57с.

19. Месяц Г.А., Баренгольц С.А. Механизм генерации аномальных ионов вакуумной дуги.// УФН -2002. -Т.-172. -№10. -С.1113-1130.

20. Froome K.D. The behavior of the cathode spot on undisturbed mercury surface // Proc. Phys. Soc. London.-1949.-V.B62.-P.805-812.

21. Cummings D.B. Ignitron discharge growth during high current pulses // Communication and electronics.-1963.-V.5.-sept.-P.514-523.

22. Арш A.M., Андронова И.П., Хромой Ю.Д. Распространение катодных пятен на ртути при различных скоростях нарастания тока // Письма в ЖТФ,-1975.-Т. 1 .-Вып.2.-С.86-89.

23. Warmoltz N. Some properties of an anchored cathode spot of a mercury arc at low pressure. // Physica-1940.-V. 11 .-№3 .-P.209-216.

24. Tonks L. On anchoring the mercury pool cathodespot. // Physics.-1935.-V.6.-Sept.-P.294-303.

25. Хромой Ю.Д., Антохин Р.Г. Фиксация катодного пятна при больших токах разряда.// ЖТФ.-1967.-Т.37.-№7.-С1314-1319.

26. Хромой Ю.Д., Земскова JI.K., Корчагина Ю.И., Фиксация катодного пятна при импульсных токах разряда. I //ЖТФ.-1978.-Т.48.-№.8.-С. 1624-1628.

27. Порошин С.Н., Хромой Ю.Д., Пороговый ток фиксированного катодного пятна // ТВТ. -1988.-Т.25.-№6.-С. 1226-1228.

28. Хромой Ю.Д., Сысун В.И., Фиксация катодного пятна при импульсных токах разряда. II // ЖТФ.-1984.-Т.54.-№.7.-С. 1342-1345.

29. Eckhardt G. Efflux of atoms from cathode spots of low-pressure mercury are.-// J. Appl. Phys.-1971 .-V.42.-№ 13 .-P.5757-5760.

30. Eckhardt G. Velocity of neutral atoms emanating from the cathode of a steady-state low-pressure mercury arc. // J. Appl. Phys.-1973. V.44.-№3.-P.l 146-1150.

31. Eckhardt G. Vapor cone angles of neutrals and ions emanating from the cathode of a dc mercury vacuum arc. // J. Appl. Phys.-1976.-V.47.-№10.-P.4448-4450.

32. Eckhardt G. Properties of anchored cathode spots of a dc mercury vacuum arc. // IEEE Trans, on plasma science.-1980.-V.PS-8.-№4.-P.295-301.

33. St.John R.M., Winans J.G. Motion of arc cathode spot in a magnetic field // Phys. Rev.-1954.-V.94.-№5.-P. 1097-1102.

34. St.John R.M., Winans J.G. Motion and spectrum of arc cathode spot in a magnetic field // Phys. Rev.-1955.-V.98.-№6.-P. 1664-1671. .

35. Juttner В., Kleberg I. The retrograde motion of arc cathode spots in vacuum.// J.Phys. D; Appl. Phys. -2000. -V.33. -P.2025-2036.

36. Gundlach H.C.W. Experimental study of retrograde motion of the arc cathode spot in high vacuum // Int. Symp. On Disch. And Electr. Insul. In Vacuum. Poznan.-1972.-P.249.

37. Djakov B.E., Holms R. Cathode spot motion in a vacuum arc under influence the inherent magnetic field // IEE Int. Gas Discharge Conf. London—1970.— P.468-472.

38. Sherman J.C. et al. Cathode spot motion in high current vacuum arcs on copper electrodes // J. Phys. D: Appl Phys.-1975.-V.8,-P.696-702.

39. Agarwal M.S., Holmes R. Cathode spot motion in high current vacuum arc under self generated azimuthal and applied axial magnetic fields.// J.Phys. D; Appl. Phys.-1984.-V.17. P.743-756.

40. Chaly A.M., Logatchev A.A., Shkol'nik S.M. Cathode spot dynamics on pure metals and composite materials in high-current vacuum arcs // IEEE Trans, on Plasma Science.-1997.-V.25.-№4.-P.564-570.

41. Перский H.E., Сысун В.И., Хромой Ю.Д. Динамика катодных пятен вакуумной дуги // ТВТ.-1989.-Т.24.-№6.-С. 1060-1067.

42. Перский Н.Е., Сысун В.И., Хромой Ю.Д. Динамика эмиссионной зоны импульсного вакуумного разряда // VI Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы. Ленинград.-1983.-Т.1.-С.170-172.

43. Перский Н.Е. Исследование динамики катодных пятен сильноточного вакуумного разряда.: Дис. кандидата физмат. наук: 01.04.08-Петрозаводск, 1989.-203с.

44. Swift P.D. et. al., Cathode spot phenomena in titanium vacuum arcs // J. Appl. Phys.-1989.-V.66.-№2.-P.505-512.

45. FangD.Y. Cathode spot velosity of vacuum arcs // J.Phys. D: Appl. Phys.-1982.-V.15.-P.833-844.

46. Fang D.Y.et al. Arc velocity and erosion for stainless steel and aluminum cathodes // J. Nucl. Mater.-1982.-№111-112.-P.517-521.

47. Robson А.Е. The motion of low pressure arc in a strong magnetic field. // J.Phys.D: Appl. Phys.-1978.-V.l 1.-P.1917-1923.

48. Аксёнов И.И., Андреев А.А. О движении катодного пятна вакуумной дуги в неоднородном магнитном поле. // Письма в ЖТФ.-1977.-Т,3.-вып.23.1. С. 1272-1274.

49. Drouet M.G. The physics of the retrograde motion of the electric arc. // Jap. Journ. of Appl.Phys.-1981 .-V.20.-№6.-P. 1027-1036.

50. Hull A.W. Cathode spot.// Phys.Rev.-1962.-V.126.-№5.-p.l603-1610.

51. Djakov B.E., Holmes R. Retrograde motion of cathode spot and conduction of heat in the cathode.//"2-nd Int. Conf. Gas Discharge 1972",London, 1972.

52. Немчинский B.A. О движении катодного пятна вакуумной дуги. //ЖТФ.-1979.-Т.49.-№7.-С. 1379-1385.

53. Немчинский В.А. О причине перемещения катодного пятна вакуумной дуги и оценка скорости ретроградного движения в магнитном поле. // ЖТФ.-1983 .-Т.53 .-№3 .-С.241-251.

54. Немчинский В.А. К теории ретроградного движения вакуумной дуги на ртутном катоде. // ЖТФ.-1988.-Т.58.-№2.-С.270-276.

55. Nemchinsky V.A. On retrograde motion of vacuum arc.//XIV-th ISDEIV-1990, Santa-Fe.-P.263-265.

56. Баренгольц C.A. и др. Движение катодного пятна вакуумной дуги во внешнем магнитном поле.//ЖТФ.-1998.-Т.68.-№6.-С.60-64.

57. Литвинов Е.А. и др. О механизме самоподдержания катодного пятна вакуумной дуги.//ЖТФ.-1985.-Т.55.-№11.-С.2270-2273.

58. Немчинский В.А. О падении напряжения в прикатодной плазме вакуумной дуги.//ЖТФ.-1988.-Т.58.-№6.-С.1214-1216.

59. Цескис JI.A. О возможности феноменологического описания ретроградного движения. //Письма в ЖТФ.—1976.-Т.2.-вып.16.-С.735-738.

60. Auweter-Ming A., Shrade Н.О. Exploration of arc spot motion in the presence of magnetic field. //Journal of Nuclear Materials-1980.-V.93&94.-P.799-805.

61. Shrade H.O., Auweter-Ming A., Kurtz H.L. Analysis of the cathode spot of metal vapor arcs. //Trans, on Plasma Sci.-1983.-V.PS! l.-№3.-P.103-l 10.

62. Голубев B.C., Клубникин B.C. О винтовой неустойчивости электрической дуги в аргоне. // Письма в ЖТФ. 1976. - Т.2. - вып.4. -с. 180-184.

63. Жаринов А.В., Саночкин Ю.В. Возможное объяснение механизма движения катодного пятна.// Письма в ЖЭТФ.-1982.-Т.36.-вып.5.-С.147-149.

64. Жаринов А.В., Саночкин Ю.В. О форме мениска и условии равновесия поверхности жидкого металла в катодном пятне вакуумной дуги.//Письма в ЖТФ.-1983.-Т.9.-вып.23 .-С. 1465-1468.

65. Саночкин Ю.В. Термокапиллярная ячейка с током в поперечном магнитном поле и компенсация действия амперовой силы.//ЖТФ.-1984.-Т.54.-№9.-С. 1718-1724.

66. Саночкин Ю.В. Гидродинамические явления при движении точки нагрева вдоль свободной поверхности жидкости.//ТВТ.-1985.-Т.23.-№4.-823-826.

67. Саночкин Ю.В., Филиппов С.С. Гидродинамический механизм расталкивания токовых ячеек при сближении и делении катодного пятна.//Письма в ЖТФ.-1985.-Т.11.-вып.12.-С.733-736.

68. Сена JI.A. О возможном механизме обратного движения катодного пятна.//ЖТФ-1968.-Т.28.-С. 1993-1996.

69. Сена JI.A. О делении катодного пятна дуги низкого давления.//ЖТФ-1970.-Т.40.-С. 1942-1945.

70. Harris L.P. Transverse forces and motion at cathode spots in vacuum arcs.// IEEE Trans, on Plasma Sci.-1983.-V.PS-l l.-№3.-P.94-102.

71. Плютто A.A., Рыжков B.H., Капин A.T. Высокоскоростные потоки плазмы вакуумных дуг.//ЖЭТФ-1964.-Т.47.-вып.8.-С.494-507.

72. Davies W.D. Miller Н.С. Analysis of the electrode products emitted by dc arcs in a vacuum ambient.// J. Appl.Phys.-1969.-V.40.-N.3.-P.2212-2221.

73. Лунёв B.M., Овчаренко В.Д., Хороших B.M. Исследование некоторых характеристик плазмы вакуумной металлической дуги I.// ЖТФ.-1977.-Т.47.-№7.-С. 1486-1490.

74. Лунёв В.М., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование некоторых характеристик плазмы вакуумной металлической дуги II.// ЖТФ.-1977.-Т.47.-№7.-С. 1491-1495.

75. Бугаев А. С. И др. Исследования направленных скоростей ионов в вакуумном дуговом разряде.//ЖТФ.-2000.-т.70.-вып.9.-с.37-43.

76. Kutzner J., Miller Н.С. Integrated ion flux from the cathode spot region of a diffuse vacuum arc.//J. Phys. D: Appl. Phys.-1992.-V.25.-p.686-693.

77. Аксёнов И.И., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. О механизме формирования энергетического спектра ионов плазмы вакуумной дуги.// Письма в ЖТФ-1981 .-Т.7.-вып. 19.-С. 1164-1167.

78. Николаев А.Г., Оке Е.М., Юшков Г.Ю. Влияние остаточного газа на зарядовое распределение ионов в плазме вакуумного дугового разряда. //ЖТФ.-1998.-т.68.-вып.9.-с.24-28.

79. Николаев А.Г., Оке Е.М., Юшков Г.Ю. Зарядовое распределение ионов в плазме вакуумного дугового разряда в сильном магнитном поле. //ЖТФ.-1998.-т.68.-вып.5.-с.39-43.

80. Аксенов И.И. и др. Исследование плазмы стационарного вакуумного дугового разряда. II. Влияние интегральной температуры катода.// ТВТ-1983.-Т.21 .-№4.-с.646-651.

81. Brown I.G., Godechot X. Vacuum arc ion charge state distributions.// XlV-th ISDEIV-1990, Santa-Fe, New-Mexico, USA -p.203-207.

82. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., Шмелёв Л. Д. Механизм генерации ионного потока в вакуумных дугах.// ЖЭТФ -2001. -Т.-120. -№5. -С. 1227-123 6.

83. Tuma D.T., Chen C.L., Davies D.K. Erosion products from the cathode spot region of a copper vacuum arc.// J. Appl. Phys. -1978. -V.49.-№7.- P.3821-3831.

84. Daalder J.E. Components of cathode erosion in vacuum arcs.// J. Phys.D: Appl. Phys. -1976.-V.9.-№4.-P.2379-2395.

85. Cohen Y., Boxman R.L., Goldsmith S. Angular distribution of ion current emerging from an aperture anode in a vacuum arc.// XHI-th ISDEIV-1988, Paris.-P.3 00-302.

86. Anders A., Yushkov G.Y. Angularly resolved measurements of ion energy of vacuum arc plasmas.// Appl. Phys. Lett. -2002. -V.80. -N.14. -p.2457-2459.

87. Хороших B.M., Аксёнов И.И., Коновалов И.И. О структуре плазменных струй, генерируемых катодным пятном вакуумной дуги.// ЖТФ.-1988.-Т.58.-№6.-С. 1220-1221.

88. Ivanov V.A., and all. Ion and electron acceleration in metal vapor arc plasmas. // XlV-th ISDEIV-1990, Santa-Fe, New-Mexico, USA -p.l92-2197.

89. Keidar M., Beilis I.I., Brown I.G. Multiply charged ion transport in free boundary vacuum arc plasma jet.// J. Appl. Phys. -1998. -v.84. -N.l l.-p.5956-5960.

90. АксёновИ.И. и др. Исследование движения потоков плазмы вакуумной дуги в линейной протяженной плазмооптической системе.// Физика плазмы. -1980. -т.6. -вып.4. -с.918-924.

91. Sherman J.C. et al. The voltage, self-generated magnetic field and current distribution in a high current vacuum arcs. // J. Phys. D: Appl Phys.-1978.-V.l l,-P.379-388.

92. Борзенко В.П. и др. О резистивном ускорение ионов в плазменном потоке. // Письма в ЖТФ.-Т. 14.-Вып.5.-С.435-439.

93. Любимов Г.А. О механизме ускорения катодных струй пара.//Доклады академии наук СССР.-1975.-Т.225.-№5.-С.1045-1049.

94. Любимов Г.А. О динамике катодных струй пара.// ЖТФ.-1977.-Т.47.-№2.-С.297-301.

95. Мойжес Б.Я., Немчинский В.А. Эрозия и катодные струи вакуумной дуги.// ЖТФ.-1980.-Т.50.-№ 1 .-С.78-86.

96. Мойжес Б.Я., Немчинский В.А. Формирование струи при испарении в вакуум.//ЖТФ.-1982.-Т.52.-№4.-С.684-689.

97. Немчинский В.А. О газодинамическом ускорении катодной плазменной струи вакуумной дуги. //ЖТФ.-1985.-Т.55.-№1.-С.60-66.

98. Wieckert С. The expansion of the cathode spot plasma in vacuum arc discharges.//Phys. Fluids -1987. -v.30. -№6. -p.l810-1813/

99. Афанасьев В.П., Дюжев Г.А., Школьник C.M. Гидродинамическая модель плазменной струи катодного пятна вакуумной дуги. ФТИ им А.Ф.Иоффе. Ленинград. 1989.

100. Hantzsche Е. A hydrodynamic model of vacuum arc plasmas.// XlV-th ISDEIV-1990, Santa-Fe.-P. 177-184.

101. Boxman R. Magnetic constriction effects in high-current arcs prior to the release anode vapor.// J. Appl. Phys. -1977. -v.48. -№6. -p.2338-2345.

102. Кринберг И.А. Зависимость зарядности ионов от силы тока в стационарных и импульсных вакуумных разрядах.// Письма в ЖТФ.-2001 .-Т.27.-вып.2.-С.9-16.

103. Кринберг И.А., Зверев Е.А. Влияние собственного магнитного поля на формирование катодной плазменной струи в стационарных вакуумных дугах.// Письма в ЖТФ.-1997.-Т.23.-вып.11 .-С.47-53.

104. Зверев Е.А., Кринберг И.А. Сжатие токового канала и повышение заряда ионов при усилении тока в импульсном вакуумном разряде. // Письма в ЖТФ.-2000.-Т.26.-вып.7.-С.43-50.

105. Зверев Е.А., Кринберг И.А. Нагрев токового шнура и образования перетяжек в импульсном вакуумном разряде.// Письма в ЖТФ.-1998.-Т.24.-вып. 18.-С.50-56.

106. Зверев Е.А., Кринберг И.А. Пространственная структура катодных плазменных струй в вакуумной дуге.// Физика плазмы.-1999. -том 25. -№1. с.88-94.

107. Немчинский В.А. Расчёт влияния аксиального магнитного поля дуги на образование анодного пятна вакуумной дуги.// ЖТФ.-1989.-Т.59.-№9.-С.98-103.

108. Keidar M., Beilis I.I., Boxman R.L., Goldsmith S. 2D expansion of low density interelectrode vacuum arc plasma jet in an axial magnetic field.//J. Phys. D: Appl. Phys. -1996. -v.29. -p. 1973-1983.

109. Keidar M., Brown I.G., Beilis I.I. Axial ion charge state distribution in the vacuum arc plasma jet.// Rew. Sci. Instr. -2000. -v.71. -N.2.-p.698-700.

110. Кринберг И.А. Зависимость зарядности ионов от силы тока в стационарных и импульсных вакуумных разрядах.// Письма в ЖТФ.-2001 .-Т.27.-вып.2.-С.9-16.

111. Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М. Мир. 1975.

112. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., Шмелёв Д.Л. Механизм генерации ионного потока в вакуумных дуга.// ЖЭТФ -2001. -Т.-120. -вып.5(11). С.1227-1236.

113. Paulus I., Holmes R., Edels H. Vacuum arc response to current transients.// J.Phys. D; Appl. Phys. -1972. -V.5. -P.l 19-132.

114. Проскуровский Д.И., Пучкарёв В.Ф. Реакция вакуумного дугового разряда на скачок тока.// ЖТФ -1981. -Т.51. -вып. 11. -С.2277-2281.

115. Краткий справочник инженера физика. Госатомиздат. Москва. 1961.

116. Брагинский С.И. Явления переноса в плазме.// Вопросы теории плазмы. вып.1. п/р Леонтовича М.А: —М. Атомиздат. 1963.

117. Федоренко Р.П. Введение в вычислительную физику.-М.:Изд-во Моск. Физ.-техн. Ин-та, 1994.

118. Гуревич А.В., Парийская Л.В., Питаевский Л.П. Автомодельное движение разряженной плазмы.// ЖЭТФ-1965.-Т.49.-вып.2(8).-С.647-654.

119. Еселевич В.Г., Файнштейн В.Г. Рассширение бесстолкновительной плазмы в вакуум.//ЖЭТФ.-1980.-Т.79.-вып.З.-С.870-882.

120. Демченко П.А., Крупник Л.И., Лянгнер Е.С. Исследование свободного расширения плазменных струй.//ЖТФ -1974. -Т.44. -вып.11. -С.2311-2316.

121. Горбунов С .П., Красов В.И., Паперный B.JI. Протяжённая область аномального ускорения в катодной струе вакуумного разряда.// Письма в ЖТФ.-1998.-Т.24.-вып.4.-С.66-70.

122. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М. Атомиздат. 1969.