ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 980-988
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 537.533
НОВЫЕ КОЛЬЦЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПЛАЗМЫ С ПОЛЫМИ КАТОДАМИ
© 2004 г. В. П. Нархинов
Отдел физических проблем при Президиуме БНЦ СО РАН, г. Улан-Удэ E-mail: lib@ pres.bsc.buryatia.ru Поступило в редакцию 19.12.2003 г.
Эффективность генераторов плазмы определяется в основном минимальными затратами мощности в разряде и ресурсом работы. Таким требованиям удовлетворяют газоразрядные источники плазмы с холодным полым катодом [1-4].
В данной работе представлены результаты исследований двух генераторов с полыми катодами и одним анодным электродом. Следует отметить: оба генератора состоят из разъемных конструктивных элементов, простых и доступных по исполнению.
Кольцевой источник плазмы модифицированного пеннинговского разряда. Генератор плазмы тлеющего разряда с 28 полыми катодами представляет структуру из 28 разрядных ячеек типа Пеннинга, примыкающих друг другу и образующих кольцо. Поскольку изначально кольцевой генератор опробован как плазменный эмиттер радиально сходящихся ленточных пучков электронов [5-6], в данных экспериментах он является базовой частью конструкции второго генератора на основе объемного тлеющего разряда. В связи
с этим целесообразно представить их вместе на одном рис. 1.
Разрядная камера образована анодом 1 в виде тора прямоугольного сечения, внутри которого радиально с интервалом 12.8° заглублены 28 стержневых катодов, представляющих собой полюсные наконечники 2 внешней магнитной системы из постоянных магнитов 3. Анод состоит из двух колец Г-образного сечения, при смыкании (размыкании) которых образуется эмиссионная щель 4. По контуру щели расположены ферромагнитные вставки. Посредством опорного кольца из немагнитной стали 28 стержней электрически связаны, а их выступающие части размером 10 х 10 х 10 мм секционируют общий анод 1, установленный со-осно опорному кольцу с креплением 28 изолирующими втулками из фторопласта-4. Разрядная камера устанавливается в разъемные полукольца, и при их вакуумноплотном смыкании образуются две полости. В нижней полости магниты охлаждаются протоком сжатого воздуха, а в верхнюю герметичную полость поступает рабочий газ, пе-
4 5 6 7 1 2 3
Рис. 1. Конструктивная и электрическая схемы источников кольцевой плазмы: 1 - анод, 2 - стержневой полый катод, 3 - постоянный магнит, 4 - эмиссионная щель, 5 - сплошной катод основного (объемного) разряда, 6 - сетчатый катод, 7 - сетчатое окно.
НОВЫЕ КОЛЬЦЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПЛАЗМЫ
981
I, А
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики модифицированного разряда Пеннинга с полыми катодами: 1,3 - обычный отражательный разряд, 2, 4 - разряд с полым катодом при р = 0.35 Па и 8 Па соответственно.
ретекая сквозь 28 отверстий малого диаметра и по цилиндрическим полостям Т-образной формы в стержнях 2 попадая в разрядные ячейки. При дозированном количестве рабочего газа с помощью подачи на анод потенциала отражательный разряд зажигался между полыми катодами и общим анодом. Регулированием расхода газа обеспечивалось плавное управление током тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, а также его стабилизация на заданном уровне.
На рис. 2 даны вольт-амперные характеристики разряда, из которых видно, что на участке АВ горит обычный отражательный разряд тлеющего типа. Известно [7], что в тлеющем разряде протекает объемный ток и наблюдается прикатод-ное падение потенциала на слое, толщина которого 1к уменьшается с увеличением разрядного тока. Кривые 2, 4 характеризуют модифицированный разряд Пеннинга при давлении 0.35 Па и 8 Па соответственно. Переход разряда от одного режима к другому (участок ВС) связан с изменением экранирующего действия ионной оболочки перед апертурой сквозных отверстий в стержневых катодах. При параметрах, соответствующих точке В, выполняется условие ¡п/йп = 9. (1п - длина, йп - диаметр полости стержневого катода).
Механизм реализации эффекта полого катода в пеннинговском разряде достаточно изучен, а экспериментально установленный в данной работе критерий достижения максимального тока раз-
Рис. 3. Вольтамперные характеристики объемного тлеющего разряда в катодной полости: 1, 3 - вспомогательный разряд, 2, 4 - объемный тлеющий разряд в катодной полости при р = 0.026 Па и 0.066 Па соответственно, 5 - объемный тлеющий разряд в катодной полости без доли вспомогательного разряда (ключ К2 откл.).
ряда с минимальным напряжением горения разряда хорошо согласуется с ранее обнаруженными [2-4], несмотря на конструктивное различие электродных структур.
Источник объемной плазмы в катодной цилиндрической полости несамостоятельного разряда тлеющего типа. Генератор объемного тлеющего разряда представляет собой разрядную камеру, образованную сплошным катодом 5 (рис. 1) диаметром 205 мм с рабочей поверхностью диаметром 150 мм, сетчатым катодом 6 с окном 7 прозрачностью 0.64 и цилиндрической поверхностью анода 1. Межкатодный промежуток составляет 30 мм, зазоры катод-анод-катод - 3 мм. Разрядная камера технически проста: электрическая, газовая схемы и вакуумная система используются в единой конструкции, поскольку рабочий газ поступает и откачивается через эмиссионную щель 4 сквозь сетчатое окно 7. При включении схемы контакты К1, К2, К3 замыкаются и зажигается отражательный разряд. На рис. 3 приведены вольт-амперные характеристики разрядов. В режиме горения вспомогательного разряда с растущей характеристикой на участке АВ протяженность области анодного падения потенциала 1а ~ (фо - фа) 3/47"1/2 (фо - потенциал плазмы, фа - потенциал анода) [8] превышает высоту проходного сечения окна эмиссионной щели и от-
ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 42 < 6 2004
982
СТАНКУС и др.
деляет плазму вспомогательного разряда от пространства катодной полости. Несмотря на это, в цепи катодов 5, 6 (рис. 1) фиксируется слабый ток ионов. С ростом разрядного тока до 200 мА ионный ток достигает 0.15 мА и плазма вспомогательного разряда радиально проникает в объемную полость. Поскольку плазма является источником ионов и ультрафиолетового излучения, поток распространяется на большие поверхности обоих катодов, вызывая у-процессы. При этом в плотность тока электронов дают вклад электроны, выбитые положительными ионами и фотонами [1, 7].
В результате катодных и ионизационных процессов плотность плазмы увеличивается, резко возрастает ток разряда и одновременно снижается напряжение горения разряда (переход из точки В в точку С на рис. 3). Зажигается основной разряд с явно выраженным эффектом полого катода.
Использование кольцевой плазмы вспомогательного разряда оказалось более эффективным, поскольку были исключены проблемы формирования объемной плазмы с однородным радиальным распределением плотности заряженных частиц [8] и влияния краевых эффектов [9].
Характеристики "коллективного" горения (кривая 2 на рис. 3) и самостоятельного объемного тлеющего разряда (кривая 5) в исследуемом диапазоне токов и давлений свидетельствуют об устойчивости разряда в областях значений напряжения горения и давления остаточного газа более низких, чем в "обычном" тлеющем разряде.
Механизм увеличения эффективности полых катодов различной геометрической конфигурации, проявляющийся в существенном увеличении плотности разрядного тока, качественно одинаков, поскольку обусловлен уменьшением потерь частиц и фотонов, дающих свой вклад в повышение степени ионизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969. 175 с.
2. Груздев В.А. Исследование плазменного источника электронов на основе модифицированного пеннин-говского разряда. Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 279. Томск: Политехнический институт, 1971. 13 с.
3. Васильева ГГ. Эффект полого катода в газоразрядных системах со скрещенными электрическими и магнитными полями. Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.12.10. Томск: Политехнический институт, 1974. 16 с.
4. Крейндель Ю.Е. Плазменные электронные источники на основе отражательного разряда с полым катодом. В кн.: Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков / Под ред. Месяца Г.А. Новосибирск: Наука, 1976. С. 113.
5. Нархинов В.П. Регистрация и измерение тока ленточных пучков электронов на фиксированном участке сходящейся эмиттер ной системы // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 4. С. 136.
6. Нархинов В.П., Семенов А.П. Способ измерения распределения тока радиально сходящихся ленточных пучков электронов и устройство для его осуществления. Патент № 2202116 РФ // Б.И. 2003. № 10.
7. Грановский ВЛ. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 544 с.
8. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. М.: Энергоатомиз-дат, 1989. 256 с.
9. Бойко В В., Кузьмичев А.И., Суханов В Н. Плазменный источник на объемном разряде с магне-тронными ячейками. В кн: Плазменная эмиссионная электроника. Тез. докл. I Всесоюзн. совещ. по плазменной эмиссионной электронике. Улан-Удэ, 1991. С. 106.
УДК 532.14:546.81586
ПЛОТНОСТЬ ЖИДКОГО СПЛАВА Pb-Bi ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА
ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ДО 700 К
© 2004 г. С. В. Станкус*, Р. Ä. Хайрулин*, Ä. Г. Мозговой**, В. В. Рощупкин***, М. Ä. Покрасин***
*Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск **Объединенный институт высоких температур РАН, Москва ***Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва
Поступило в редакцию 23.04.2004 г.
Ранее в [1] было проведено исследование плотности расплавленной свинец-висмутовой эвтектики в интервале от температуры плавления 398.1 К [2] до 726 К. Эти измерения выполнялись пикнометрическим методом на опытной установ-
ке, детально описанной в [3]. Поскольку измерительная ячейка в [1] изготовлялась из молибденового стекла, то максимальная температура этих экспериментов не могла превышать 750 К. Для исследования термических свойств жидкого спла-
ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 42 < 6 2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.