Особливості запалювання і горіння деяких розрядів низького тиску

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.04 - Фізична електроніка

Особливості запалювання і горіння деяких розрядів низького тиску

Рудніцький Валентин Анатолійович

Київ 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України.

Науковий керівник канд. фіз.-мат. наук, старший наук. співр. Саєнко Володимир Антонович Інституті ядерних досліджень НАН України, старший наук. співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат. наук, с.н.с, Гончаров Олексій Антонович Інститут фізики НАН України, провідний.наук. співробітник.

канд. фіз.-мат. наук, Васенін Юрій Леонідович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, наук. співроб.

Провідна установа Київський університет ім. Т.Шевченка, кафедра фізичної електроніки (м. Київ).

Захист відбудеться « 17 »червня 1999 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 252022, Київ--22, пр. Науки 46.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики НАН України. (Київ, пр. Науки 46).

Автореферат розісланий «17» травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. фіз.-мат. наук Іщук В.А.

1. Загальна характеристика роботи

запалювання горіння розряд тиск

Актуальність теми. До розрядів низького тиску відносяться такі, що горять при тисках робочої речовини рЈ10² Па. Це досить широкий клас електричних розрядів. Якщо розглянути газове середовище при рЈ10^-1 Па, то варто звернути увагу, що довжина вільного пробігу електрона більша розрядного проміжку. В такому випадку утруднені умови утворення лавин іонізації. Проте при допомозі магнітного поля шлях електрона до анода можна видовжити, заставивши його виконувати рух по складній траєкторії. Коли шлях, пройдений електроном, стане рівний довжині вільного пробігу, значно зростає ймовірність іонізації нейтральних молекул в розрядному проміжку. Таким чином, самостійні розряди низького тиску можуть запалюватись при певній конфігурації електродів, розміщених у магнітному полі. Одним з таких розрядів є відбивний розряд типу Пеннінга.

До інших розрядів низького тиску, які досліджувались нами, відносяться розряди з випаровуваним у вакуумі електродом. Зокрема, це несамостійний розряд з однорідно випаровуваним у вакуумі анодом і електронно-пучкові розряди. Особливістю цих типів розрядів є те, що теплова потужність самого розряду або пучка електронів випаровує електрод, цим створюється місцеве підвищення концентрації нейтральних частинок (молекул пари), де і відбувається основна іонізація.

Дослідження розрядів низького тиску почали активно розвиватись після другої світової війни в зв'язку з розробками джерел іонів для прискорювачів заряджених частинок. Важливим використанням відбивних розрядів стали магніторозрядні насоси з холодними катодами. Вивчення відбивного розряду Пеннінга широко підтримувалось ще й в зв'язку з іншими його застосуваннями в магніто-іонізаційних датчиках з холодними катодами для вимірювання тисків газів і парів, генераторах високочастотних шумів і регулярних коливань НВЧ, плазмових джерелах електронів і іонних двигунах. Найбільш інтенсивно дослідження розряду проводились в кінці 50-х і в 60-х роках. В цей час була створена теорія розряду, яку підтримують більшість авторів. Проте, пояснюючи одні експериментальні факти, вона буває безсилою при поясненні інших. Ця теорія грунтується на уявленні про об'ємні заряди і зони підвищеної іонізації. Проте з точки зору цієї теорії не можна пояснити помічені в експерименті немонотонності в залежностях основних параметрів розряду від індукції магнітного поля. Зокрема, про це говорять немонотонності на кривих запалювання, бо в момент запалювання розряду об'ємні заряди і зони підвищеної іонізації відсутні.

З часом вивчення розрядів низького тиску розширилось, бо виник новий напрямок наукових і прикладних досліджень - вакуумно-плазмова технологія обробки поверхні твердого тіла. Така технологія могла б дати високу якість обробки і хімічну чистоту одержаних плівок і покриттів. Цим вимогам відповідала плазма розрядів низького тиску. Це і визначило розвиток вивчення стаціонарних електричних розрядів з однорідно випаровуваним у вакуумі електродом, тобто коли область випаровування співставлювана з розмірами робочої поверхні електрода. Локальне випаровування із катодної плями досить легко реалізується на практиці, але має ряд недоліків. Особливо серед них виділяються такі: обмеженість робочих речовин умовами утворення плями і наявність крапельної фази в плазмових потоках. Цих недоліків не має дуговий розряд в парах матеріалу анода зі штучно розжареним катодом, що вивчався нами. На перший погляд може здатися, що теорія такого розряду має бути аналогічною теорії добре вивчених газових розрядів низького тиску з розжареним катодом, і вірно буде застосовувати до неї уявлення та фізичні моделі позитивного стовпа розряду на газі, плазмових нестійкостей тощо. Проте специфіка розряду, що розглядається нами, виникає через граничні умови на аноді, який генерує робоче середовище розряду - пару, і появу великих градієнтів концентрації нейтральних і заряджених частинок в розрядному проміжку, що приводить до зміни умов розвитку лавин іонізації і плазмових нестійкостей. До того ж попадання високоенергетичних частинок із розрядного простору на випаровуваний та інші електроди ускладнює взаємозв'язок об'ємно-розрядних і граничних умов. Нехтування цими особливостями не дає змоги пояснити навіть вольт-амперні характеристики дугового розряду в парах матеріалу анода з розжареним катодом. Незрозумілими з точки зору класичної теорії дугових розрядів у розріджених газах є ряд якісно нових явищ у цьому розряді. Зокрема, не пояснено зрив горіння розряду додатковим електродом. Все це говорить про необхідність дослідження даного розряду і створення фізичних моделей процесів, що відбуваються в ньому.

Такими ж мало вивченими з фізичної точки зору є електронно-пучкові розряди, в яких робоче середовище створюється випаровуванням твердого тіла електронним променем у вакуумі і які теж застосовуються для одержання плазми твердих речовин. Зокрема, відкритим залишається питання визначення мінімального тиску парів для запалювання розрядів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема й напрямок досліджень, що ввійшли в дисертацію, були вибрані у зв'язку з роботою над програмами Інституту ядерних досліджень НАН України, Національної академії наук України, Міністерства України у справах науки й технологій. Результати роботи використані в рамках науково-дослідницької держбюджетної теми відділу фізики плазми Інституту ядерних досліджень НАН України «Експериментальне дослідження фізичних принципів генерації густої низькотемпературної газорозрядної плазми» (номер держреєстрації 01.90.0061103 від 1994 р., науковий керівник теми - докт. фіз.-мат. наук, професор Кириченко Г.С.), а також державної науково-технічної теми «Розробки плазмохімічного реактора для нанесення тонких плівок і покриттів» (угода між Міністерством України у справах науки й технологій та Інститутом ядерних досліджень №2/1290-97, науковий керівник теми - канд. фіз.-мат. наук, старший наук. співробітник Саєнко В.А.), так і по ряду госпдоговірних робіт.

Мета дослідження. Метою даної дисертаційної роботи був подальший розвиток фізики розрядів низького тиску - визначення і пояснення їхніх особливостей запалювання й горіння, а саме, уточнення моделі процесу запалювання відбивного розряду Пеннінга, пояснення механізму горіння і вольт-амперних характеристик дугового розряду з однорідно випаровуваним анодом, впливу третього електрода на основні характеристики розряду з випаровуваним анодом, визначення умов стабільного запалювання і горіння тріодної системи електродів розряду в парах матеріалу анода і пучково-плазмових розрядів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше розраховані й досліджені осциляції електронів, утворених на катодах тривимірної комірки Пеннінга. Виявлені особливості в траєкторіях руху цих електронів: в залежності від значення індукції магнітного поля і анодної напруги електрон попадає або на анод, або на катод чи осцилює в комірці, поки не зіткнеться з іншою частинкою. Крім того, виявлені особливості в залежності довжини траєкторії електронів від геометричних параметрів комірки, індукції магнітного поля, анодної напруги при моделюванні руху електрона з вакуумним розподілом потенціалу комірки, тобто в момент запалювання розряду низького тиску. Уперше одержані криві запалювання розряду в комірці Пеннінга з немонотонним ходом. Установлено зв'язок особливостей руху швидких електронів із немонотонним ходом кривих запалювання.

Досліджений несамостійний діодний розряд із випаровуваним у вакуумі анодом. Пояснений хід вольт-амперної характеристики розряду, виявлений і пояснений вплив напуску газу на цю залежність. Досліджена тріодна система електродів, пояснені специфічні для неї ефекти. Зокрема, розкрита суть зриву горіння розряду струмом третього електрода. Показано, що дана розрядна система проявляє властивості нового типу розряду, який запропоновано назвати тріодним розрядом із випаровуваним у вакуумі анодом. Виявлені умови підсилення іонізаційних процесів у плазмі тріодного розряду. Уперше пояснений хід вольт-амперних характеристик третього електрода.

В дисертації дістали подальший розвиток дослідження потоку плазми. Виявлено компенсованість плазмового потоку й умови існування від'ємного плаваючого потенціалу в ньому. Установлено звуження діаграми направленості потоку плазми несамостійного діодного розряду з випаровуваним анодом при накладанні поздовжнього магнітного поля і її розширення в тріодному розряді.

Установлено мінімальний тиск парів і мінімальна потужність електронної гармати, необхідні для горіння пучково-плазмового і пучково-магнетронного розрядів.

Практичне значення одержаних результатів.

Розширені уявлення про осциляції електронів у комірці Пеннінга. Виявлені специфічні особливості осциляцій електронів, утворених на катодах. Установлений зв'язок між цими особливостями й немонотонністю кривих запалювання розряду в комірці Пеннінга. Це дає можливість уточнити теорію даного розряду, модель процесу запалювання і вдосконалити існуючі пристрої.

Виявлені діапазони анодних напруг, індукції однорідного магнітного поля й тиску газу для певної комірки Пеннінга, при яких спостерігаються зони нестабільного горіння розряду. Такі діапазони для довільного діаметра й довжини комірки Пеннінга можуть бути визначені при допомозі розробленої програми, що додається в «Додатках».

Пояснені вольт-амперні характеристики й ряд інших залежностей параметрів розряду від анодного струму й струму на додатковий електрод у несамостійному дуговому розряді з однорідно випаровуваним анодом. Це має значення як для створення теорії розряду, так і для розробки й удосконалення джерел плазми твердих тіл, плазмохімічних реакторів.

Розуміння особливостей вольт-амперних характеристик розряду дає можливість вибирати оптимальні джерела електроживлення для пристроїв. Це вже дозволило розробити метод газового запалення несамостійного дугового розряду з випаровуваним анодом. Дисертант брав безпосередню участь у його розробленні, тому фізичні основи цього методу описані в дисертації.

Пояснений ефект зриву горіння несамостійного дугового розряду з випаровуваним анодом струмом додаткового електрода і приведені методи стабілізації горіння розряду. Таким чином, для практики роботи джерел плазми важливо, що установлені шляхи збільшення коефіцієнта іонізації при можливості надійного керування горінням розряду.

Положення, які виносяться на захист.

Швидкі електрони, які утворені на катодах комірки Пеннінга, можуть осцилювати вздовж і поперек комірки навіть при ненульовій початковій швидкості. Число N поздовжніх осциляцій електрона немонотонно залежить від величини індукції магнітного поля B при сталій анодній напрузі V_A і геометрії комірки. Звідси витікає немонотонність кривих запалювання розряду Пеннінга, які визначаються умовою запалювання самостійного розряду в комірці. Немонотонність кривих запалювання підтверджена експериментально.

Спад вольт-амперної характеристики (ВАХ) несамостійного дугового розряду в парах анода обумовлений зростанням тиску пари робочої речовини при зростанні розрядного струму на початковій стадії розряду, а при подальшому збільшенні анодного струму ВАХ відповідає класичній залежності V_A=const.

3. Введення позитивного відносно катода додаткового електрода у розрядний проміжок діодного розряду з випаровуванням анода приводить до виникнення нового типу розряду, який пропонується назвати «тріодним розрядом з випаровуваним електродом». Розряд слід розглядати в першому наближенні як діодний розряд у вакуумі з плазмовим катодом. Це пояснює зростаючий характер ВАХ тріодного розряду. Його ВАХ може стати спадаючою у випадку ревипаровування робочої речовини з додаткового електрода.

В тріодному розряді зростає коефіцієнт іонізації плазми, розширюється діаграма направленості потоку плазми і зберігається його квазінейтральність.

Пучково-плазмовий і пучково-магнетронний розряди з випаровуванням робочої речовини запалюються при тиску парів над поверхнею розплаву ~1Па.

5. Розроблений на основі діодного і тріодного розрядів з випаровуванням анода і напуском реактивного газу пристрій є новим типом технологічних плазмохімічних реакторів синтезу тонких плівок і покриттів.

Особистий внесок здобувача. В розробці наукових результатів, що виносяться на захист, основний внесок зроблений автором дисертації. Практична реалізація експериментальних методик, весь комплекс вимірювань, а також аналітичні та числові розрахунки виконані здобувачем самостійно. Він брав безпосередню участь в аналізі отриманих результатів, підготовці наукових статей і доповідей до публікації. Зокрема дисертантом при допомозі чисельних розрахунків, проведених на ЕОМ, виявлені осциляції швидких електронів для тривимірної комірки Пеннінга [8]. Встановлений зв'язок між особливостями руху цих електронів і немонотонностями на кривих запалювання, визначені початкові умови швидких електронів, які беруть найбільшу участь у підтриманні лавин іонізації під час запалювання розряду [4]. Автор дисертації пояснив вольт-амперну характеристику дугового розряду з розжареним катодом у парах матеріалу анода на основі зміни тиску парів у розрядному проміжку [1, 5], удосконалив методику визначення коефіцієнта іонізації потоку плазми при наявності іонного розпорошення [7], пояснив причину зриву випаровування анода при напуску газу [9], дослідив радіальний розподіл іонної компоненти і плаваючого потенціалу в дуговому розряді з випаровуваним анодом [11]. Ним пояснений зрив горіння дугового розряду з випаровуваним анодом на основі зв'язку між додатковою іонізацією, яку проводить струм додаткового електрода і тепловою потужністю, яка передається аноду від розряду [2, 6]. Виявив особливості горіння розряду в парах матеріалу анода з третім електродом і запропонував назвати розряд «тріодним розрядом з випаровуванням електрода у вакуумі» [3]. Визначив мінімальний тиск парів над розплавом потрібний для запалювання електронно-пучкових розрядів [10].

Внесок співавторів публікацій у наведені результати такий: Саєнко В.А. здійснював загальне наукове керівництво роботою, брав участь у постановці завдань досліджень, обговоренні та інтерпретації отриманих даних; Борисенко А.Г. брав участь у розробці й реалізації експериментальних методик і обговоренні результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній конференції по явищах в іонізованих газах (ICPIG XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Тулуза, 1997 р.); XVIII-му міжнародному симпозіумі по розрядах і електричній ізоляції у вакуумі (XVIIIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Ейндховен, 1998 р.); Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми фізичної й біомедичної електроніки» (Київ, 1997 р., 1998 р.); 8-му Міжнародному симпозіумі «Тонкі плівки в електроніці» (Харків, 1997 р.); IV Всеросійській конференції по модифікації властивостей конструкційних матеріалів пучками заряджених частинок (Томськ, 1996 р.); Міжгалузевому науково-практичному семінарі з участю закордонних спеціалістів «Вакуумна металізація» (Харків, 1996 р.); 2-му науково-практичному симпозіумі «Вакуумні технології й обладнання» (Харків, 1998); щорічних конференціях НЦ «Інститут ядерних досліджень» за 1995-1997 рр.

Публікації. Основні результати робіт опубліковані в 29 роботах, із них 8 в провідних фахових наукових журналах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатка. Роботу викладено на 162 сторінках. Вона містить 54 рисунка, з яких 20 на окремих сторінках, список використаних джерел із 166 найменувань, додаток на 4-х сторінках.

2. Основний зміст дисертації

У вступі обгрунтовано актуальність і доцільність роботи, вказано зв'язок вибраного напрямку досліджень з планами, організації, де виконувалась робота, визначено мету роботи і задачі, які необхідно вирішити для її досягнення, а також виділено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі подано огляд робіт за темою. Приділено багато уваги розподілу потенціалу в комірці Пеннінга з холодними катодами і методам його експериментального визначення (метод зондування комірки електронним пучком, метод вимірювання напруженості електричного поля завдяки Штарк-ефекту та інші). Описано основні роботи по дослідженню траєкторії руху електронів в комірці Пеннінга. Серед друкованих праць, в яких описуються моделі і теорії слабкострумового розряду Пеннінга, звернуто увагу на дослідження Schuurman W., Jepsen R.L., Knauer W., Рейхруделя Е.М., Смирницької Г.В., Попова Ю.С. та інших. Найбільш вдалою виявилась спроба теоретично описати і пояснити криві запалювання розряду Смирницькою Г.В. і Нгуен Хиу Ті. Проте в області слабких магнітних полів, близьких до тих, при яких запалюється розряд, хід кривих запалювання не встановлено і не пояснено розкид експериментально одержаних точок.

На основі огляду робіт по дуговому розряду в парах матеріалу анода зі штучним розжаренням катода встановлено, що найбільш широко цей розряд використовується в термоіонному напиленні, яке стимулювало дослідження по підвищенню коефіцієнта іонізації плазми для використання іонного бомбардування плівок і покриттів, які напилюються. Описано застосування з цією метою схрещених електричного і магнітного полів, а також перспективний метод - введення додаткового позитивного відносно заземленого катода електрода. Наведено основні труднощі, які виникають при використанні тріодної форми розряду. Зокрема, це - зрив горіння розряду струмом третього електрода, відсутність пяснення впливу форми, розміщення і потенціалу електрода на розряд між катодом і анодом. Це і визначає необхідність фізичних досліджень розряду з випаровуваним анодом, для якого не пояснено навіть вольт-амперна характеристика.

Огляд робіт по електронно-пучковим розрядам охоплює як дослідження розрядів в газах (від відкриття пучково-плазмового розряду в 1961 році) так і більш сучасні дослідження розрядів з випаровуваним електродом. Виявлені переваги (хімічна чистота плазми, високий коефіцієнт іонізації і можливість іонізації пари при високих швидкостях випаровування) електронно-пучкових розрядів говорять про необхідність продовження їх вивчення з метою застосування для напилення та в іонних джерелах, зокрема, про необхідність визначення мінімального тиску парів над розплавом, що дає можливість розраховувати технологічні параметри електронних гармат і тиглів для випаровування.

В другому розділі висвітлено дослідження, проведені дисертантом по розряду в комірці Пеннінга з холодними катодами. Вивчалась циліндрична комірка з діаметром анода D=18 мм і довжиною L=40 мм. Для експериментальних досліджень на анод подавалась напруга V_A>1000 B від стабілізованого по напрузі джерела постійного струму, і вздовж осі створювалось однорідне магнітне поле індукцією B>350^.10^-4 Тл.

Теоретичні розрахунки руху швидких електронів, які утворились на катодах в результаті вторинної іонно-електронної емісії і можуть підтримувати лавини іонізації в комірці Пеннінга, проводились на ЕОМ за програмою, складеною на мові програмування Фортран-77. Обчислення траєкторій руху по рівняннях руху електрона в схрещених електричному і магнітному полях, використовуючи чисельний метод Рунге-Кутта четвертого порядку точності. Для розв'язування рівнянь руху чисельним методом потрібно визначити розподіл потенціалу в даній комірці Пеннінга. Можна скористатись рівнянням Лапласа. Об'ємний заряд у цьому випадку не враховується. Це пов'язано з дослідженням процесів, що відбуваються безпосередньо перед запалюванням, коли об'ємний заряд ще не сформувався. Розв'язок рівняння Лапласа був визначений і використовувався у вигляді

, (1)

де R - радіус анода, І_о - модернізована функція Бесселя, К=0, 1, 2...

Одержані траєкторії показали, що швидкий електрон може осцилювати в поздовжньому і поперечному напрямку до магнітного поля. Крім того виявлено, що ці коливання можливі лише в певному діапазоні значень індукції магнітного поля для конкретно вибраних параметрів комірки і значень V_A.

Було проаналізовано велику кількість траєкторій і визнано доцільним ввести новий параметр - кількість осциляцій N. Одна осциляція визначається як одне відбивання від будь-якого катода. Такий параметр може характеризувати довжину шляху електрона, що здійснює осциляції, бо для діапазону значень індукції магнітного поля В, при яких відбуваються осциляції, характерним є те, що довжина шляху від одного катода до іншого у електронів з близькими початковими умовами для різних В мало відрізняється. Це можна обгрунтувати тим, що, проектуючи рух на площину, яка поперечна до вектора індукції магнітного поля, ми спостерігаємо рух по циклоїді. Циклотронна частота цього руху близька до частоти осциляцій швидких електронів (коливань між площинами катодів), але висота циклоїди значно менша від амплітуди поздовжніх коливань.

Залежність N(В) для осцилюючих швидких електронів має велику кількість максимумів і мінімумів. Проте серед них були виявлені максимуми з великим значенням N і глибокі мінімуми (N=0), які відтворюються для електронів з іншими початковими умовами (початкова кінетична енергія, місце утворення на катоді, кут вильоту) при збереженні незмінними геометричних розмірів комірки і V_A.

Швидкі електрони, які утворені в результаті іонно-електронної емісії, можуть підтримувати лавини іонізації під час запалювання розряду в комірці Пеннінга, якщо ймовірність іонізації ними нейтральних частинок близька до одиниці. Це можливо при значеннях індукції магнітного поля, які відповідають максимумам залежності N(В). І, навпаки, існування мінімумів N(В) приводить до значного зменшення або відсутності лавин іонізації при відповідних В. Експериментально отримані криві запалювання в комірці Пеннінга підтвердили цю думку. Криві запалювання самостійного розряду Пеннінга в аргоні для вище наведених розмірів комірки показали, що для тисків 10^-3ё10^-1 Па спостерігається їх аномальний хід, тобто було виявлено такі значення В₂, при яких розряд не горів, проте спостерігалось його горіння при В₁ і В₃, при чому В₁<В₂<В₃, а анодна напруга однакова. Розраховані максимуми залежності N(В), які відтворюються, співпадають з областями запалювання розряду, а мінімуми - з областями, де горіння розряду відсутнє.

В третьому розділі описано дослідження по дуговому розряду з випаровуваним анодом при штучному розжаренні катода (діодному розряду). Робоча речовина із Cu, Ni, Cr, Al, Ti, U, Si та інших матеріалів завантажувалась в тигель чи клалась безпосередньо на мідний чи молібденовий анод [7, 10]. На відстані L_K = (7ё25) мм від робочої речовини знаходився катод прямого розжарювання. Діаметр катодних кілець 10ё20 мм, діаметр дроту (0,7ё1,0) мм. Анод був теплоізольованим або водоохолоджуваним. Соленоїд охоплював катод і анод та створював магнітне поле В=(0 ё 0,03) Тл. Іонізація в розрядному проміжку контролювалась струмом I_i на колектор іонів. Граничний вакуум установок <2^.10^-4 Па. Напуск газу відбувався через кільце з отворами, яке розташовувалось над циліндром, чи за допомогою сопла. Вольт-амперні характеристики (ВАХ) несамостійного дугового розряду з випаровуванням анода у вільному режимі роботи катода з від'ємним зарядом термоелектронів біля поверхні катода показали, що починаючи від мінімального розрядного струму І_Аmin, при якому може горіти розряд, збільшення анодного струму приводить до зменшення напруги анода V_A (спадна ділянка). При I_A>>І_Аmin появляється ділянка, яка відповідає класичному газовому розряду з розжареним катодом, V_A=const. Напуск газу в розрядну камеру показав, що при тисках газу р, при яких відбувається значний його вплив на анодну напругу несамостійного дугового розряду в парах матеріалу анода з добавкою газу, ВАХ розряду в газі при відсутності у водоохолоджуваному тиглі-аноді робочої речовини є зростаючою на відміну від спадаючої ВАХ розряду з випаровуваним анодом для невеликих І_А. Пояснення цього факту основане на дослідженнях, що показують зростання потужності розряду, іонного струму І_і та швидкості напилення на підкладинку при збільшенні струму розряду з випаровуваним анодом. Зменшення V_A в розряді відбувається через зростання тиску парів матеріалу анода і підсилення іонізаційних процесів в плазмі.

Перехід до вимушеного режиму роботи катода при збільшенні І_А в розряді з випаровуваним анодом приводить до зростання V_A. Максимальне значення V_A у цьому випадку обмежується виділенням на катоді такої потужності, при якій починається саморозігрівання катода іонним бомбардуванням. Це приводить до зростання струму термоемісії електронів з катода і спаданню V_A навіть у високому вакуумі.

Далі спростовується уявлення деяких дослідників про існування 2-х форм даного розряду: високовольтну, з анодними напругами V_A=10² - 10³ B, і низьковольтну, з V_A в десятки вольт. Високі V_A в розряді з випаровуваним анодом обумовлені або вимушеним режимом роботи катода, або ж необхідністю підтримання мінімального тиску парів р_п^*=0,1ё1 Па. Низькі значення анодної напруги спостерігаються у вільному режимі роботи катода на ділянці ВАХ, коли V_A=const, що говорить про малу залежність V_A від I_A і тиску парів матеріалу анода р_п в розрядному проміжку, тобто відповідає класичному дуговому розряду з розжареним катодом в газі низького тиску, коли V_A співставлюване по величині з потенціалом іонізації робочої речовини. Таким чином існує одна форма дугового розряду в парах матеріалу анода, але при різних умовах підтримання його горіння, коли визначальну роль грають процеси або на аноді, або на катоді.

Приведено дослідження несамостійного діодного розряду в парах матеріалу анода з добавкою газу по залежності V_A і швидкості напилення плівки на підкладинці від р. Це дало змогу розділити область горіння розряду в координатах р і I_A на дві зони: І - розряд в основному горить на газі, і вирішальний вплив на вольт-амперні характеристики визначається газом; ІІ - розряд горить у парах матеріалу анода з добавкою газу. Оскільки горіння розряду на газі при малих струмах відбувається при значно менших V_A ніж у парах матеріалу анода (великі V_A потрібні для підтримання мінімального тиску парів), то запалювання несамостійного діодного розряду в парах матеріалу анода краще здійснювати не через стадію вакуумного діодного розряду, що потребує високих V_A порядку кіловольт, а при напуску газу, тобто в розряді на газі. Це лягло в основу «методу газового запалювання», який дає можливість спростити систему електроживлення.

Досліджено потік плазми несамостійного діодного розряду в парах матеріалу анода. Це дає можливість визначити як залежать процеси іонізації в плазмі від І_А, тиску газу в розрядній камері. Разом з цим досліджувався іонний струм на підкладинку і плаваючий потенціал потоку плазми V_f. Встановлено, що V_f<0 у вільному режимі роботи катода і мало змінюється по радіусу потоку. Це дає можливість стверджувати, що потік плазми є компенсованим, і даний розряд може бути застосований для напилення напівпровідникових і діелектричних підкладинок з використанням всіх переваг іонного бомбардування. Дослідження температури електронів Т_е у потоці плазми показали, що вона мало змінюється від відстані до анода x і відстані до осі r. Наявність магнітного поля зменшує значення Т_е.

У четвертому розділі описано дослідження по впливу додаткового електрода на несамостійний діодний розряд у парах матеріалу анода. В розрядний пристрій, описаний в третьому розділі, вводився позитивний відносно заземленого катода електрод у вигляді циліндра діаметром 80 мм і висотою 100 мм, який охоплював розрядний проміжок катод - анод, або кільця діаметром 20ё45 мм, яке розміщувалось над катодом на відстані 14ё130 мм від поверхні анода.

Приведено експериментально одержані ВАХ при різних струмах на додатковий електрод І_С, залежності V_A, напруги додаткового електрода V_C, I_i від I_C. Дослідження показують, що струм додаткового електрода змінює вольт-амперну характеристику несамостійного діодного розряду в парах матеріалу анода. Специфічність граничних умов третього електрода приводить до того, відбирання електронів на нього у вільному режимі роботи катода може приводити як до збільшення, так і до зменшення V_A при І_А=const. В останньому випадку переважає процес додаткової іонізації електронами, що створюють струм І_С. Струм додаткового електрода не просто піднімає чи опускає криву V_A(І_А) на координатній площині, а змінює функціональну залежність вольт-амперної характеристики, впливаючи на процеси регулювання анодної напруги через тиск парів в розрядному проміжку. В цьому полягає одна з особливостей тріодної системи електродів.

Зменшення анодної напруги при допомозі струму І_С у вільному режимі роботи катода може бути досить значним і привести до зриву горіння розряду через зменшення теплової потужності, що вноситься струмом розряду в анод, нижче мінімальної. На погашення розряду вказувало зникнення зеленого свічення плазми, характерного для плазми парів міді, а також перехід до І_А=І_С=І_і=0.

Шляхи стабілізації горіння розряду можуть бути різними: перехід до вимушеного режиму роботи катода зменшенням струму розжарення катода, збільшення І_А, І_С і В. Причина зриву горіння розряду не пов'язана з магнітним полем так, як при В=0 зрив теж спостерігався.

На основі досліджень вольт-амперних характеристик тріодної системи електродів і іонних струмів на підкладинку в різних режимах роботи катода пояснено суть зриву горіння розряду третім електродом. Вона полягає в наявності механізму створення електронного струму з об'ємного заряду біля катода додатковим потоком іонів із плазми. Таким чином виявлено необхідну умову зриву горіння розряду. Це - наявність об'ємного заряду електронів біля катода. А достатньою умовою можна вважати введення розрядом в тигель-анод такої теплової потужності, яка є меншою, ніж мінімальна потужність горіння розряду. Особливість впливу третього електрода, яка проявилась при аналізі зриву горіння струмом І_С, полягає в суттєвій зміні процесів у всьому розрядному проміжку між катодом і анодом. Отже, помічена ще одна важлива особливість тріодної системи електродів.

З аналізу експериментальних даних витікає ряд особливостей впливу третього електрода на розрядний проміжок між катодом і анодом. Це дає можливість говорити про суттєву відмінність процесів, що відбуваються в тріодній розрядній системі порівняно з діодною. Тому варто виділити тріодну систему електродів в окремий тип розряду, який пропонується назвати тріодним розрядом з однорідно випаровуваним електродом.

Існування відмінних від анодних граничних умов горіння розряду для додаткового електрода приводить до суттєвої різниці між залежностями V_С(І_С) і V_A(І_А). Вольт-амперна характеристика третього електрода у вільному режимі роботи катода є зростаючою, що не суперечить моделі на основі теорії плазмових джерел електронів, розвинутої Крейнделем Ю.Ю. В цій моделі вважається, що витягування електронів на електрод відбувається з плазмового емітера, в ролі якого виступає плазма над тиглем-анодом. Спадаюча ділянка V_С(І_С) була виявлена при наявності ревипаровування із третього електрода.

Порівняльний аналіз тріодного з діодним розрядом показав, що при можливості керування процесами іонізації в плазмі третім електродом плазмовий потік залишається з компенсованим об'ємним зарядом по всьому перерізу. До того ж відкрились переваги застосування додаткового електрода для підвищення коефіцієнта іонізації плазми в порівнянні з використанням для цього тільки поздовжнього магнітного поля в діодному розряді: діаграма направленості потоку плазми при однаковому значенні індукції магнітного поля для тріодного розряду ширша, а значення коефіцієнта іонізації потоку a₀ можна підвищити незалежно від швидкості напилення плівки на підкладинці.

Дослідження потоку плазми струмами на плоский зонд Ленгмюра і підкладинкотримач мають бути доповнені визначенням енергетичних характеристик заряджених частинок, які знаходяться в потоці. Такі параметри були одержані при допомозі багатосіткового аналізатора. На основі кривих затримки електронів і іонів у багатосітковому аналізаторі визначено їх функції розподілу і виявлено існування частинок з енергіями понад еV_A.

Дослідження діодного і тріодного розрядів з випаровуванням анода і напуском газу привели до створення плазмохімічного реактора.

Приведено основні параметри плазмо-хімічного реактора, серед них:

Густина іонного струму на підкладинці j = (0,1ё10) мА/см².

Енергія іонів в потоці плазми Е = (10ё100) еВ.

Витрата робочої речовини dm/dt = (0,1ё0,5) мг/с.

Коефіцієнт іонізації в потоці плазми a₀ = (1ё80)%.

Швидкість синтезу плівок q = (10^-5ё10^-4) мкм/с.

Товщина плівок d = (0,1ё10) мкм.

Споживана потужність реактора Q = (0,1ё5) кВт.

Механізм прискорення іонів в нейтралізованому плазмовому потоці робочих речовин зберігався до тисків реактивного газу р=5^.10^-2 Па. Плівки безкрапельного нітриду титану використані в машинобудуванні для виготовлення і реставрації плунжерних пар паливних насосів високого тиску дизельних двигунів і плунжерних пар форвакуумних насосів, паливних форсунок дизельних двигунів, а в електроніці - для бар'єрних шарів напівпровідникових приладів, які працюють завдяки ефекту Шоттки. Таким чином, розроблений плазмохімічний реактор може працювати в різних областях промисловості, але особливо ефективний у випадку виготовлення щільно прилеглих деталей машин, що труться, тонких високоадгезивних густих плівок в електроніці, електротехніці, мікромеханіці та інших областях, де не допускаються краплі робочої речовини, які генеруються у вакуумно-дугових реакторах.

У п'ятому розділі висвітлено дослідження по електронно-пучковим розрядам. Електронний пучок діаметром d=(5ё6) мм формувався електронною гарматою, в якої нитка розжарення служила для побічного підігрівання електронним бомбардуванням катода - плоского емітера з гексаборида лантану. Колектором електронів служив водохолоджуваний тигель, в який завантажувалась робоча речовина. Вздовж пучка потужністю W=0,3ё10 кВт створювалось магнітне поле індукцією 0,03-0,65 Тл. Для запалювання пучково-магнетронного розряду в області випаровування коаксіально до пучка розміщувався циліндр, на який подавався позитивний потенціал V_C=0ё300 B відносно заземленого тигля-колектора [11].

Мета дослідження - визначити мінімальний тиск пари робочої речовини над розплавом, при якому горять електронно-пучкові розряди. Для цього спочатку визначався момент запалювання розряду трьома розробленими способами: 1) візуальне спостереження за свіченням плазми над поверхнею матеріалу, що випаровується; 2) визначення потужності електронного променя в момент різкого зростання струму іонного пучка, струму на додатковий циліндр, а також зміни електронного колекторного струму, який до запалювання визначався струмом електронного пучка, на іонний; 3) поява багатозарядних іонів в іонному пучку, який витягується із плазми. Багатозарядні іони фіксувались мас-спектрометром. Визначення мінімального тиску р_п* пари проводилось вимірюванням маси M_R й часу t напилення плівки робочої речовини на підкладинку площею S_п, яка знаходилась на відстані R=100 мм від колектора-тигля, безпосередньо перед запалюванням розряду при зростанні W. Для цього використовувалась система рівнянь для тиску насиченої пари р_п при відповідній температурі поверхні тигля Т:

, (2)

де j - кут між нормаллю джерела випаровування та прямою, яка з'єднує точку випаровування з елементом підкладинки, що являла собою сферичний пояс для сфери, центр якої розміщений в центрі тигля-колектора, m - маса молекули речовини, яка випаровується, k - стала Больцмана, A, B, C - коефіцієнти, які знаходять по таблицям для даної речовини. Тиск пари робочої речовини над розплавом при цьому визначався як половина значення р_п. Таким чином було визначено, що р_п*»1Па.

Загальні висновки роботи

На основі рівнянь руху швидких електронів, які утворені на катоді в результаті іонно-електронної емісії, і рівняння Лапласа для комірки Пеннінга в однорідному магнітному полі обчислено траєкторії швидких електронів і встановлено можливості їх осциляцій вздовж і поперек комірки навіть при ненульовій початковій швидкості. При поздовжніх осциляціях електрон доходить до такої точки, після якої повертається на катод по зворотній траєкторії, або рухається по симетричній відносно центру комірки. Число N поздовжніх осциляцій електрона немонотонно залежить від величини індукції магнітного поля B при сталій анодній напрузі V_A і геометрії комірки. Звідси витікає немонотонність кривих запалювання розряду Пеннінга, які визначаються умовою запалювання самостійного розряду в комірці :

де a, - перший і ефективний третій коефіцієнти Таунденса,

r₀ - радіус, з якого розвивається лавина, r_А - радіус анода, n - число іонів, які утворились в результаті іонізації по осі одним електроном, число n залежить від N таким чином, що при N®0 n®0, a при N®Ґ n®1. Немонотонність кривих запалювання розряду Пеннінга підтверджена експериментально.

Звідси витікають умови стабільності запалювання розряду для магніторозрядних насосів, іонних джерел, плазмових прискорювачів, іонізаційних манометрів та інших приладів, які використовують розряд Пеннінга.

На основі досліджень вольт-амперних характеристик (ВАХ) дугового розряду з випаровуванням різних металів із тигля-анода і напуском газів при різних тисках в розрядній камері, залежностей швидкості напилення плівки на підкладинку і іонного струму на підкладинку від розрядного струму, потенціалу горіння розряду в газі від тиску газу встановлено, що спад вольт-амперної характеристики діодного розряду обумовлений зростанням тиску пари робочої речовини при зростанні розрядного струму на початковій стадії розряду, а далі вона відповідає класичній залежності V_A=const. Це положення дає змогу спростувати твердження про існування 2-х форм цього розряду: високовольтну, з анодними напругами V_A=10² - 10³ B, і низьковольтну, з V_A в десятки вольт. Доведено, що існує одна форма розряду в парах матеріалу анода, але при визначальному впливу на горіння розряду процесів на катоді або на аноді.

На основі досліджень з напуском газу визначено зони впливу на несамостійний діодний розряд в парах матеріалу анода тиску газу. Таким чином виявлено причину зриву випаровування матеріалу анода і переходу до дугового розряду в газі при низьких тисках. Звідси витікає можливість «газового запалювання» діодного розряду при знижених анодних напругах V_A та можливість спрощення системи електроживлення розряду.

На основі досліджень впливу додаткового позитивного електрода на несамостійний дуговий розряд з випаровуванням матеріалу анода, досліджень вольт-амперних характеристик додаткового електрода і ефекту та умов зриву розряду запропоновано розрядний проміжок з додатковим електродом називати «тріодним розрядом з випаровуваним електродом». Цей розряд слід розглядати в першому наближенні як діодний розряд у вакуумі з плазмовим катодом. Цим самим пояснено зростаючий характер ВАХ тріодного розряду, доведено, що ВАХ може стати спадаючою у випадку ревипаровування робочої речовини з додаткового електрода.

Досліджено статистичні характеристики тріодного розряду і показано, що в ньому зростає коефіцієнт іонізації плазми, розширюється діаграма направленості потоку плазми і зберігається його квазінейтральність, тобто розряд можна розглядати як плазмовий прискорювач з підвищеною продуктивністю виробництва і якістю тонких плівок, що важливо, насамперед, при металізації діелектриків та створенні високоадгезивних підшарів, на які наноситься потім основна плівка.

На основі проведених досліджень запропоновано, сконструйовано і випробувано новий тип технологічних плазмохімічних реакторів синтезу тонких плівок і покриттів на основі діодного і тріодного розрядів з випаровуванням анода. Прилади впроваджуються в НВО «Оріон» м. Київ.

На основі кривих запалювання пучково-плазмового і пучково-магнетронного розрядів на різних речовинах, мас-спектрометричних вимірювань появи багатозарядних іонів, вимірювань ваги напилених плівок безпосередньо перед запалюванням розрядів встановлено, що вони запалюються при тиску »1Па. Це дає можливість розраховувати мінімальну потужність електронних гармат для цих розрядів та запропонувати їх як єдино можливий іонізатор до гармат мегаватного діапазону потужностей.

Основний зміст дисертації опубліковано у роботах

Саенко В.А., Борисенко А.Г., Рудницкий В.А. О механизмах горения разряда с испаряющимся в вакууме анодом//Доповіді НАНУ.- 1998.- №9.- С.95-97.

Саенко В.А., Борисенко А.Г., Рудницкий В.А. Срыв разряда с испаряющимся анодом током дополнительного электрода// Доповіді НАНУ.-1998.-№10.-С.93-96.

Саєнко В.А., Борисенко А.Г., Рудніцький В.А. Вплив додаткового електрода на дуговий розряд з випаровуванням матеріалу анода у вакуумі //Український фізичний журнал.- 1998.- №8.- С.925-928.

Саєнко В.А., Рудніцький В.А., Борисенко А.Г. Особливості запалювання розряду Пеннінга в слабких магнітних полях// Український фізичний журнал. -1998.-№10.-С.1238-1243.

Саенко В.А., Борисенко А.Г., Рудницкий В.А. Реактивное термоионное осаждение тонких пленок //Приборы и техника эксперимента.- 1998.- №3.-C.134-136.

Саєнко В.А., Рудніцький В.А., Борисенко А.Г. Про тріодний розряд з випаровуванням електрода у вакуумі // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1998.-вып.6(7).-С. 135-136.

Борисенко А.Г., Рудницкий В.А., Саенко В.А. О коэффициенте ионизации потока плазмы несамостоятельного дугового разряда в парах материала анода // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1998.-вып.6(7).-С. 133-134.

Саенко В.А., Борисенко А.Г., Рудницкий В.А. К вопросу о зажигании разряда Пеннинга // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1998.-вып.6(7).-С. 137-139.

Саенко В.А., Борисенко А.Г., Рудницкий В.А. Плазмохимические реакторы синтеза материалов. Сообщение 1// Проблемы специальной электрометаллургии.-1998.-№3.-С.29-34.

В.А.Саєнко, В.А.Рудніцький, А.Г.Борисенко, Б.В.Іванисенко Про запалювання пучково-плазмового і пучково-магнетронного розрядів// Электроника и связь.- 1998.-вып.5.-С.46-49.

A.G.Borisenko, V.A.Saenko, V.A.Rudnitsky Non-self-sustaining arc discharge in anode material vapors // XVIIIth International Symposium on Discharges and Electrical insulation in Vacuum - Eindhoven, August 1998.-Volume 1.-P.252-255.

Анотація

Рудніцький В.А. Особливості запалювання і горіння деяких розрядів низького тиску.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. -Інститут фізики НАН України, Київ, 1999.

Дисертація присвячена вивченню фізики процесів запалювання і горіння електричних розрядів низького тиску. Досліджено криві запалювання відбивного розряду в комірці Пеннінга з холодними катодами для слабких магнітних полів і з'ясовано причину їхнього немонотонного характеру. Пояснено хід вольт-амперної характеристики дугового розряду в парах матеріалу анода зі штучним розжаренням катода у вакуумі і з напуском газу. Виявлені і пояснені основні особливості впливу додаткового електрода у вигляді циліндра або кільця з позитивним відносно заземленого катода потенціалом на розряд з випаровуванням анода. Досліджено основні параметри потоку плазми парів різних твердотільних матеріалів діодного і тріодного розряду з випаровуванням анода. Визначено мінімальний тиск парів речовини над поверхнею розплаву для запалювання пучково-плазмового і пучково-магнетронного розрядів в парах твердотільних речовин, які випаровуються електронним променем. Мінімальний тиск парів »1 Па.

Ключові слова: електричний розряд, крива запалювання, вольт-амперна характеристика, вакуум, випаровування, додатковий електрод.

Аннотация

Рудницкий В.А. Особенности зажигания и горения некоторых разрядов низкого давления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. - Институт физики НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена изучению физики процессов зажигания и горения электрических разрядов низкого давления. Исследовано кривые зажигания отражательного разряда в ячейке Пеннинга с холодными катодами для слабых магнитных полей и выяснена причина их немонотонного характера. Изучены траектории быстрых электронов, которые образовались на катодах в результате вторичной ионно-электронной эмиссии и могут поддерживать лавины ионизации в ячейке. Траектории рассчитаны численным методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности на электронно-вычислительной машине. Доказано, что быстрые электроны могут осциллировать вдоль и поперек магнитного поля даже при наличии начальной скорости, осцилляции существуют только в некотором интервале значений индукции магнитного поля для конкретно определенной ячейки. На основании особенностей осцилляций быстрых электронов в ячейке Пеннинга объяснен немонотонный ход кривых зажигания самостоятельного разряда.

Объяснено ход вольт-амперной характеристики дугового разряда в парах материала анода с искусственным накалом катода в вакууме и с напуском газа. Основной механизм горения этого разряда на падающей части его вольт-амперной характеристики связан с влиянием давления паров рабочего вещества на анодное напряжение через ионизационные процессы в плазме разряда. Разработан метод газового поджига разряда с испаряемым анодом при напуске газа в разрядную камеру. В отличие от зажигания разряда в вакууме он упрощает систему электропитания поскольку значения напряжений зажигания близки значениям рабочих напряжений. Использование напуска газа оправдывается также другими технологическими возможностями: ионная очистка подложки, синтез на подложке новых веществ (реактивное напыление).

Выявлены и объяснены основные особенности введения дополнительного электрода в виде цилиндра или кольца с положительным относительно заземленного катода потенциалом на разряд с испарением анода. На основании этих особенностей разряд в парах материала анода с дополнительным электродом выделен как новый тип разряда, который предлагается назвать «триодный разряд с испаряемым электродом». Дается объяснение вольт-амперной характеристики дополнительного электрода. Исследовано основные параметры потока плазмы паров разных твердотельних материалов диодного и триодного несамостоятельного разряда с испарением анода. Установлено, что триодный разряд дает возможность повысить коэффициент ионизации потока плазмы, который остается компенсированным по всему своему сечению. Экспериментально доказано, что применение дополнительного электрода дает возможность расширить диаграмму направленности потока плазмы в то время, как использование продольного магнитного поля с целью повышения коэффициента ионизации потока в разряде с испаряемым анодом приводит к сужению потока плазмы рабочего вещества. Экспериментально определено минимальное давление паров вещества над поверхностью расплава для зажигания пучково-плазмового и пучково-магнетронного разрядов в парах твердотельних веществ, которые испаряются электронным лучом. Минимальное давление паров приближено равно 1 Па.

Ключевые слова: электрический разряд, кривая зажигания, вольт-амперная характеристика, вакуум, испарение, дополнительный электрод, поток плазмы, коэффициент ионизации, электронный луч.

Summary

Rudnitsky V.A. Features of ignition and burning of some discharges of low pressure.-Manuscript

The thesis for a Candidate of Science degree by speciality 01.04.04 -Physical Electronics. - The Institute of Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999.

The dissertation is devoted to study of physics processes of ignition and burning of the electrical discharges at low pressure. Curves of ignition of the reflective discharge in a Penning cell with cold cathodes for low magnetic fields is studied and the reason of their not monotonic character is found. The course of a volt-ampere characteristic of an electric arc in vapors of the material of anode with the heated cathode in vacuum and with an addition of gas is explained. The basic features of influence of an additional electrode in the form of a cylinder or ring with positive potential with respect to the grounded cathode on the discharge with evaporation of the anode are revealed and explained. The basic parameters of the plasma of vapor flows in diode and triode discharge with evaporation of the anode is investigated. The minimum pressure of vapors of substance above a surface of a melt for ignition beam-plasma and beam-magnetron discharges in vapors of solid substances, which are volatilized by an electronic beam, is determined. The minimum pressure of vapors »1Pa.