Плазменные ключи с низкой термоэмиссией сетки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный технический

увниверситет

На правах рукописи

ШИГАЛЕВ Валентин Константинович

ПЛАЗМЕННЫЕ КЛЮЧИ С НИЗКОМ ТЕРМОЭМИССИЕЙ СЕТКИ

(01.04.04 - физическая электроника)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук, доцент Н.Г.Баньковский

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...........................................4

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ................-.........................10

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ..........................19

1.1. Введение.......................................................................... 19

1.2. Методики измерения характеристик разряда: анодных, зондовых, по джига-гашения, электропрочности..................................................20

1.3. Методики исследования параметров плазмы..........................-24

ГЛАВА 2. НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ДУГОВОЙ РАЗРЯД В ДИОДЕ С КСЕ-НОНОВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ........................................................26

2.1. Введение: низковольтные дуги в инертных газах.....................26

2.2. Конструкции экспериментальных/ приборов..........................29

2.3. Виды низковольтного дугового разряда в ксеноне и особенности его вольт-амперных характеристик----------------------------------------------------32

2.4. Параметры плазмы низковольтной дуги в ксеноне—..............38

ГЛАВА 3. ПЛАЗМЕННЫЕ КЛЮЧИ С КСЕНОНОВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ...................................................................................53

3.1. Введение.................................................-.........................53

3.2. Экспериментальная методика................................—............53

3.3. Виды разряда и вольт-амперные характеристики....................56

3.4. Зависимость напряжения горения разряда от давления ксенона и межэлектродных расстояний.............................................................59

3.5. Влияние на токопрохождение параметров сетки---------------------65

3.6. Параметры ксеноновой плазмы в трехэлектродном сеточном приборе..............................................................................................68

3.7. Влияние отрицательного сеточного смещения на параметры разряда и токопрохождение..................................................................77

3.8. Основные выводы..........................................—................ 91

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЭМИССИИ СЕТКИ НА РАБОТУ ПЛАЗМЕННЫХ КЛЮЧЕЙ С ЦЕЗИЕВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ....................................94

4.1. Введение: сеточные антиэмиссионные покрытия и выбор объектов исследования..................................-................................................94

4.2. Конструкции экспериментальных приборов..........-...............100

4.3. Термоэмиссия сеток с разными антиэмиссионными покрытиями и ее влияние на работу плазменного ключевого элемента........................102

4.4. Влияние антиэмиссионных сеточных покрытий на гашение разряда.............................................................—..............-................107

4.5. Распыление антиэмиссионных сеточных покрытий при бомбардировке плазменными ионами цезия и влияние этого процесса на работу плазменного ключевого элемента......................................-..............119

4.6. Основные выводы.....-.............-...............-.........................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ..................................-.......................133

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ КСЕНОНА- 147

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ АНОМАЛЬНЫХ ЗОНДОВЫХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, НАБЛЮДАВШИХСЯ В КСЕНОНОВОЙ ПЛАЗМЕ---------------------------------------------------------------151

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРОЧНОСТИ ПРИБОРА.....................................................-..................154

СПИСОК РАБОТ АВТОРА, ОТРАЖАЮЩИХ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ..................................................................................159

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Еа - напряжение источника анодного питания (постоянное или амплитуда

достаточно длительного анодного импульса). Еаз - минимальное напряжение зажигания разряда, ид - напряжение на аноде относительно катода. ИАшт - минимальное напряжение горения дуги, ис - напряжение на сетке относительно катода.

ис+ - амплитуда положительного (поджигающего) сеточного импульса, ис- - амплитуда отрицательного (гасящего) сеточного импульса. Цсо- -постоянное отрицательное сеточное смещение относительно катода, из - напряжение на зонде.

исг - минимальное отрицательное сеточное напряжение, достаточное для

гашения разряда. иСинхр - импульс для синхронизации измерительной аппаратуры. ЦАстр - импульс анодного строба, изстр - импульс зондового строба.

- потенциал ионизации атома. 1Л* - первый потенциал возбуждения атома. Р - мощность. I - электрический ток. 1а- ток в анодной цепи. ¿ао - анодный ток в условиях вакуума, ¡к - ток катода. 1э- ток эмиссии. 1эк - ток эмиссии катода, ¡з - ток насыщения. \е - электронный ток.

1е* - критическое значение тока электронов, необходимое для возникновения разряда. ц - ионный ток 1з - ток зонда.

1ез - электронная составляющая тока зонда.

113 - ионная составляющая тока зонда.

¿кз -электронный ток насыщения зонда.

^з - ионный ток насыщения зонда.

1эз - ток эмиссии зонда.

1еп - ток пучка электронов.

j - плотность тока.

jA - плотность анодного тока.

^ - плотность тока катода.

jэ - плотность тока эмиссии.

jз - плотность тока зонда.

^ез - плотность электронного тока зонда.

^з - плотность ионного тока зонда.

Ф - потенциал.

фпл - потенциал плазмы.

фг - плавающий потенциал.

фз - потенциал зонда.

Афк - прикатодный скачок потенциала.

Афс - скачок потенциала в плоскости сетки.

ЛфА - прианодный скачок потенциала.

Афз - призондовый скачок потенциала.

1сл - толщина приэлектродного слоя объемного заряда.

1слз - толщина призондового слоя объемного заряда.

й - межэлектродное расстояние.

с1ка- расстояние между катодом и анодом.

dice - расстояние катод-сетка.

dcA - расстояние сетка- анод.

S - площадь.

Sk - площадь катода.

Sa - площадь анода.

Бэл - площадь электрода.

Sui - площадь разрядного шнура.

S3 - площадь зонда.

гз - радиус зонда.

Т - температура.

Тк - температура катода.

Та - температура анода.

Тз - температура зонда.

Тс - температура сетки.

Те - температура электронов.

р - давление газовой среды.

рхе -давление ксенона.

pes - давление паров цезия.

п - концентрация плазмы.

пз - концентрация плазмы, определенная зондовым методом.

Попт - концентрация плазмы, определенная оптическим методом.

па - концентрация плазмы в области сетка-анод.

пк - концентрация плазмы в области катод-сетка.

Пэл - концентрация плазмы на электродах.

пе- концентрация электронов.

Пеп - концентрация электронов пучка.

Ni - концентрация ионов.

Na - концентрация атомов.

Nmoho - плотность атомов в монослойном адсорбционном покрытии. X - средняя длина свободного пробега.

Хе - средняя длина свободного пробега электрона.

А,еа - средняя длина свободного пробега электрона при рассеянии на атомах. Xi - средняя длина свободного пробега иона. А,а - средняя длина свободного пробега атома, s - энергия.

Ее - энергия электронов.

Ben - энергия электронов пучка.

Si - энергия ионов.

si* - энергия первого возбужденного уровня атома. Bi* - энергия ионизации атома. 8В - энергия верхнего уровня атома.

Ra -сопротивление резистора в анодной цепи (ограничивает разрядный ток и определяет рабочую точку на разрядной вольт-амперной характеристике). гб- радиус Дебая.

Qia - сечение резонансной перезарядки.

Qea - сечение упругого рассеяния электронов на атомах.

Qean - сечение упругого рассеяния электронов пучка на атомах.

v - скорость частиц.

ve- скорость электронов.

ven - скорость электронов пучка.

Vi - скорость ионов.

X - работа выхода.

Хвак - работа выхода в условиях вакуума. Хк - работа выхода катода. %с - работа выхода сетки. Ха - работа выхода анода. %з - работа выхода зонда.

0 - степень покрытия поверхности адатомами. q - элементарный заряд ^=1,6.1019 Кл). е - заряд электрона (е=-1,6.10-19 Кл). ше - масса электрона (ш=9,11. 1034 кг). Ма - масса атома. Мл - масса иона.

к - постоянная Больцмана (к=1,38.10"23 Дж.с).

со™ - рекомбинационное тормозное излучение электронов в поле ионов, соуа - тормозное излучение электронов в поле атомов, т - длительность импульсов. та - длительность анодного импульса.

тс+ - длительность положительного (поджигающего) сеточного импульса, тс- - длительность отрицательного (гасящего) сеточного импульса. тсф - длительность фронта сеточного импульса, тз - длительность зондового импульса.

ТАсгр - длительность стробового импульса при снятии вольт-амперных характеристик разряда, тзстр - длительность стробового импульса при снятии зондовых характеристик.

Тадс - характерное время адсорбции. Тдес - характерное время десорбции. tзaд - время задержки гашения разряда. Ив - заселенность энергетического уровня. П- скорость генерации ионов.

-клэффициент диффузии связанных электронов по энергии. Бе - коэффициент диффузии электронов. |ле - подвижность электронов.

Ьа/м - длина конверсии атомарных ионов в молекулярные.

Lea - длина упругого рассеяния электронов на атомах. Ls - длина релаксации электронов по энергии. ЪКул - длина кулоновской релаксации электронов, у - длина волны оптического излучения. А - кулоновский логарифм.

ß - параметр, аналогичный статическому коэффициенту усиления вакуумного триода, rj* - электрическая прозрачность сетки.

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Плазменные ключи (ПК), реализующие полное сеточное управление током кнудсеновской низковольтной дуги при высоких концентрациях плазмы и плотностях тока (п~1013...1014 см 3, ]к~1...10 А/см2), были разработаны для инвертирования низкого выходного напряжения термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) космических энергоустановок [1]. Из-за относительно низких (~Ю...ЗО В) выходных напряжений ТРП такие установки без системы инвертирования не могут быть универсальными.

К инвертору космических ТРП предъявляются очень жесткие требования: работа в условиях высокой температуры окружающей среды и высокого уровня радиации непосредственно у активной зоны реактора или даже в ней, хорошие частотные характеристики (модуляция на частотах до десятков килогерц при потерях мощности на переключение в несколько процентов), и, главное, низкие (ил~1...2 В) прямые падения напряжения, сопоставимые с этим параметром у полупроводниковых ключей. Последние требования обеспечивают приемлемый к.п.д. (~90...95%) при модуляции низких напряжений. Несмотря на успехи, достигнутые в разработке высокотемпературных полупроводниковых приборов (СаАв, 81С), в совокупности всем этим требованиям и сейчас удовлетворяют только плазменные ключи. Отметим также, что очень высокая температурная и радиационная стойкость плазменных ключей делает их весьма перспективными в ряде наземных приложений как силовых элементов высокотемпературной электроники, - например, для работы (измерений) в ядерных реакторах и возле них, в металлургии плавления и т.д. [2]. Поэтому дальнейшее совершенствование плазменных ключей, как и изучение сложных и многообразных плазменно-поверхностных процессов, определяющих возможность сеточного управления током разряда, продолжает оставаться одной из важных задач плазменной и физической электроники.

В настоящее время физические процессы, протекающие при работе ПК, в главных чертах выяснены. ПК удерживаются в запертом состоянии небольшим (порядка нескольких вольт) отрицательным смещением на сетке, переходят в проводящее состояние (поджигаются) при подаче на нее короткого (~5...10 мкс) положительного импульса напряжения амплитудой -10...20 В и запираются (гасятся) подачей отрицательного импульса длительностью 5...50 мкс с крутым (~0,1 мкс) фронтом и амплитудой до -50... -100 В [1,3,4]. При этом прерывание тока (которое долгое время считали невозможным в газоразрядных приборах) может происходить либо за счет инерционности ступенчатой ионизации [3-6], либо за счет явления самопроизвольного обрыва тока, если ток в разряде близок к уровню критического тока, больше которого плазма не может пропустить даже при предельной степени ионизации [7-10].

В первом случае при подаче на сетку отрицательного импульса происходит быстрое квазиравновесное расширение приэлектродных слоев у витков сетки, сокращающее ее электрическую прозрачность и приводящее к уменьшению (первоначальному запиранию) тока. При достаточно большой амплитуде гасящего импульса начальное запирание велико (~50% и более), уменьшение тока вызывает перераспределение коммутируемого анодного напряжения Еа между анодной нагрузкой и прибором - напряжение на нагрузке уменьшается, анодное напряжение растет, причем оно может увеличиваться во много раз по сравнению с проводящим состоянием (с ид до ~Еа). Избыточное напряжение падает в плоскости сетки, в результате чего проходящий через сетку остаточный ток формирует электронный пучок с энергией веп~еЕА, вносящий в анодную область значительную энергию. Пучок возбуждает плазменные колебания, которые за счет столкновитель-ного затухания при рассеянии плазменных электронов на атомах и ионах передают им (электронам) свою энергию [11-13]. Температура плазменных электронов быстро (почти безынерционно [4-6]) возрастает, однако нарастание концентрации оказывается существенно (на 1...2 мкс) затянутым. За

счет этого отбор ионов на витки сетки из межвиткового пространства после первоначального запирания может приводить к перемыканию слоев витков и гашению разряда раньше, чем рост напряжения на аноде ua приведет к восстановлению тока до первоначального уровня.

Во втором случае уменьшение электрической прозрачности ячейки сетки после подачи импульса увеличивает плотность тока выше критического уровня, что приводит к возникновению обрывной неустойчивости. Если плазма в анодной области уже достаточно сильно ионизована, развиваются предобрывные колебания, которые завершаются прерыванием тока - тем быстрее, чем существеннее превышение тока в плоскости сетки над критическим значением и чем меньше резервы роста концентрации па в анодной области за счет увеличения степени ионизации. При небольшой степени ионизации неустойчивость может либо сразу, либо через некоторое время подавляться за счет роста па, и прерывания тока не происходит.

Технические характеристики ПК так же исследованы достаточно полно [4,8,9,14,15]. Они могут модулировать токи плотностью от десятых долей до многих десятков ампер с квадратного сантиметра (Cs-Ba ПК) при коммутирукмых напряжениях до 300 В и обеспечивают прямое падение (в зависимости от типа ключа) ~1,5...3,5 В; время поджига и гашения составляет ~0,1...1 мкс. Эти параметры позволяют создавать высокоэффективные системы преобразования качества электроэнергии как для ТРП, так и для ряда наземных устройств Разработаны и прошли успешные испытания полноразмерные макеты ключей, показавшие отсутствие эффекта масштабирования и подтвердившие возможность создания промышленных приборов [1]. Однако промышленное изготовление и внедрение плазменных ключей упирается в ряд трудных технических проблем. Из них наиболее серьезной является проблема электродных материалов - материалов катода и сетки.

Проблема материала катода возникает из-за относительно низких рабочих давлений паров Cs: pcs<1...2.10"2 Topp. При более высоких давлениях

наблюдается явление так называемого "аномального негашения", когда после подачи на сетку отрицательного импульса напряжения и значительного (иногда почти полного) запирания тока происходит необычно быстрое (за время —0,1 мкс) восстановление тока до первоначального уровня [11,16,17]. При этом увеличение амплитуды импульса обычно не приводит к гашению, а иногда даже усугубляет ситуацию.

Проблема катодного материала в принципе может быть решена, аналогично кнудсеновским ТЭП с поверхностной ионизацией [18,19], использованием смеси паров Cs и Ва [20-22]. Введение бария позволяет получать практически любую эмиссию (до десятков ампер с квадратного сантиметра) независимо от давления паров цезия, то есть работать в области pcs~10"3... 10"2 Topp, где гашение достигается проще всего. Однако использование бинарного наполнения имеет и ряд существенных отрицательных моментов. Это: усложнение конструкции прибора (два резервуара), высокая агрессивность паров Ва (проблема конструкционных материалов, и прежде всего изоляторов), высокие рабочие температуры катода Тк>1500 К для получения эмиссии jK> 10 А/см2. Последнее обстоятельство является принципиальным. В парах Cs максимум эмиссии (максимум на "S-образной" кривой) приходится на область катодных температур -1000 К. Это область температур анода у ТЭП реактора-преобразователя (холодильник на Na-K эвтектике работает при 850...900 К, на Li -при 1200 К). Поэтому для ключей с цезиевым наполнением нагрев катода можно легко осуществлять за счет отработанного тепла, снимаемого с анодов ТЭП - теплоносителем системы охлаждения анодов перед поступлением его в холодильник. Этот вариант разогрева дает столь существенные технические преимущества, что были предприняты значительные усилия для поиска катодных материалов, способных обеспечить ток эмиссии в несколько ампер с квадратного сантиметра при pcs~10 2Topp. В конце концов проблема была решена и материалы, дающие необходимые плотности тока, найдены. Среди них наиболее перспективной оказалась, по-видимому, платина - точнее, тонкий слой плати-

ны, нанесенный на подложку из простого ту