Зажигание и режимы горения разряда постоянного тока с полым катодом

Abstract

В данной работе были измерены кривые зажигания тлеющего разряда постоянного тока с полым и плоским катодами. Показано, что при низких давлениях (p ≤ 0,05 Торр) газа совпадают левые ветви кривых зажигания для полого катода и для плоских электродов. При высоких давлениях (p  0,3 Торр) газа правая ветвь кривой зажигания разряда с полым катодом близка к кривой зажигания для расстояния между плоскими электродами, равному зазору между краем пластин полого катода и плоским анодом. Измерены вольт-амперные характеристики разряда с полым катодом. Показано, что при низких давлениях p < 0,1 Торр газа разряд горит в высоковольтной (электронно-лучевой) форме с растущей вольт-амперной характеристикой, когда вторичные электроны ускоряются вдоль силовых линий электрического поля и формируют электронный пучок. При давлениях газа p ≥ 0,1 Торр разряд при низких токах горит в тлеющем режиме, в котором в полости между пластинами катода разрядное свечение практически отсутствует, а вольт-амперная характеристика разряда является растущей. При более высоких значениях тока разряд переходит в режим полого катода, заполняя пространство между пластинами, и имеет практически вертикальную вольт-амперную характеристику. Переход разряда из тлеющего режима в полый имеет гистерезисный характер. При давлениях газа p ~ 1 Торр эффект полого катода исчезает, так как толщина катодного слоя становится малой по сравнению с зазором между пластинами катода. Показано, что когда коллекторы на аноде располагаются поперек зазора между пластинами полого катода, радиальный профиль электронного тока на анод в режиме электронного луча имеет резко выраженный максимум в области оси разрядной камеры. Профиль является более плоским, если цепочка коллекторов на аноде направлена вдоль полости катода. Повышение давления газа приводит к сильному рассеянию электронов пучка, при этом радиальные профили электронного тока на анод становятся примерно одинаковыми в обоих поперечных направлениях как в тлеющем, так и в полом режимах.

In this paper, we measured the breakdown curves of a dc glow discharge with hollow cathode and flat electrodes. It is shown that at low gas pressure (p ≤ 0.05 Torr), the left branches of the breakdown curves for the hollow cathode and the flat electrodes are identical. At high gas pressures (p  0.3 Torr), the right branch of the breakdown curve of the discharge with a hollow cathode is close to the breakdown curve for the distance between the plane electrodes, equal to the gap between the edge of the plates of the hollow cathode and flat anode. Current-voltage characteristics of the hollow cathode discharge were measured. It is shown that with low gas pressure p < 0.1 Torr discharge is in the high-voltage (electron beam) form with ascending current-voltage characteristic, when secondary electrons are accelerated along electric field lines and form an electron beam. In the gas pressure range p ≥ 0.1 Torr the discharge at low current burns in the glow mode, in which the discharge glow is practically absent in the cavity between the plates of the cathode, and the current-voltage characteristic of the discharge is ascending. At higher current the discharge goes into the hollow cathode mode, filling the space between the plates, and it has an almost vertical current-voltage characteristic. The transition from a glow discharge mode into a hollow one possesses a hysteresis. At gas pressures p ~ 1 Torr the hollow cathode effect disappears, since the thickness of the cathode layer is small compared with the gap between the plates of the cathode. It is shown that when the collectors are placed on the anode across the gap between the plates of the hollow cathode, the radial profile of the electron current to the anode in the mode of electron beam has a sharp maximum at the axis of the discharge chamber. The profile is flatter if the chain of collectors on the anode is directed along the cavity of the cathode. Increasing the gas pressure leads to a strong scattering of the electron beam, and the radial profiles of electron current to the anode are approximately the same in both transverse directions in the glow mode as well as in the hollow cathode one. У цій роботі були виміряні криві запалювання тліючого розряду постійного струму з порожнистим і пласким катодами. Показано, що при низькому тиску газу (p ≤ 0,05 Торр) ліві гілки кривих запалювання для порожнистого катода і для пласких електродів співпадають. При високому тиску газу (p  0,3 Торр) права гілка кривої запалювання розряду з порожнистим катодом близька до кривої запалювання для відстані між пласкими електродами, рівній зазору між краєм пластин порожнистого катода і пласким анодом. Виміряні вольт-амперні характеристики розряду з порожнистим катодом. Показано, що при низькому тиску газу p < 0,1 Торр розряд горить у високовольтній (електронно-променевій) формі зі зростаючою вольт-амперною характеристикою, коли вторинні електрони прискорюються вздовж силових ліній електричного поля і формують електронний пучок. При тиску газу p ≥ 0,1 Торр розряд при низькому струму горить у тліючому режимі, в якому в порожнині між пластинами катода розрядне світіння практично відсутнє, а вольт-амперна характеристика розряду є зростаючою. При більш високих значеннях струму розряд переходить у режим порожнистого катода, заповнюючи простір між пластинами, і має практично вертикальну вольт-амперну характеристику. Перехід розряду з тліючого режиму в порожнистий має гістерезисний характер. При тиску газу p ~ 1 Торр ефект порожнистого катода зникає, тому що товщина катодного шару стає малою в порівнянні з зазором між пластинами катоду. Показано, що коли колектори на аноді розташовані упоперек зазору між пластинами порожнистого катоду, радіальний профіль електронного струму на анод в режимі електронного променя має різко виражений максимум в області осі розрядної камери. Профіль є більш плоским, якщо ланцюжок колекторів на аноді спрямовано вздовж порожнини катода. Підвищення тиску газу призводить до сильного розсіювання електронів пучка, при цьому радіальні профілі електронного струму на анод стають приблизно однаковими в обох поперечних напрямках як в тліючому, так і в порожнистому режимах.