Разряд с осцилляцией электронов в магнитном поле и его инициирование

Глава 4

Разряд с осцилляцией электронов в магнитном поле

и его инициирование.

Введение

В предыдущих главах рассмотрены характеристики тлеющих разрядов с осциллирующими электронами при использовании полых катодов различной формы, создающих электростатическую потенциальную яму в отсутствие магнитного поля. В настоящей главе будут рассмотрены особенности газоразрядных систем с осцилляцией электронов в магнитном поле. Эти системы давно применяются в различных типах газоразрядных устройств, функционирующих в области пониженных давлений. Интересно отметить, что одним из первых практических применений Пеннинговского разряда было его использование в качестве манометра [94] именно для измерения давления в области глубокого вакуума. Здесь использовалась то обстоятельство, что при заданном напряжении горения ток Пеннинговского разряда пропорционален давлению. Однако в этом диапазоне давлений разряд горит в слаботочной форме, не пригодной для получения интенсивных потоков частиц, хотя получение слаботочных пучков вполне возможно. Известны и другие работы по использованию Пеннинговского разряда, причем как в высоковольтной, так и в сильноточной формах, в качестве ионного
источника [95,96]. Что касается магнетронных систем, то наряду с их использованием для генерации пучков заряженных частиц хорошо известны их применения в системах катодного распыления [5,6]. Для этого приложения, также как и при разработке источников интенсивных пучков, важным моментом является  получение больших величин разрядного тока при пониженных давлениях. В связи с этим задача определения диапазонов рабочих давлений и магнитных полей, в которых возможно существование положительно заряженной структуры, является актуальной.

Следует отметить, что привлекательность использования систем с магнитным полем в области низких давлений во многом обусловлена тем обстоятельством, что, как правило, нет необходимости прибегать к использованию каких - то вспомогательных устройств для инициирования этих разрядов, как  в случае зажигания разряда с полым катодом. При горении разряда в высоковольтной форме возможно протекание через промежуток настолько малых токов, что существующий в нем пространственный заряд практически не искажает внешнее электрическое поле, создаваемое источником питания. В этих условиях разряд горит при напряжении, практически равном напряжению зажигания, а при увеличении тока и изменении характера распределения напряжение горения резко возрастает и для поддержания разряда необходимо, чтобы источник питания мог обеспечить этот более высокий уровень напряжения. Тогда очевидно, что этот же источник питания является вполне достаточным для поджига разряда. Рост напряжения с увеличением тока высоковольтной формы разряда, скорей всего,
связан с тем, что с увеличением отрицательного заряда в промежутке происходит ослабление электрического поля в прикатодной области и в результате электроны значительную часть пути к аноду проходят имея небольшую энергию, недостаточную для эффективной ионизации. Лишь вблизи анода, где электрическое поле усиливается, энергия электронов увеличивается, но они быстро уходят на анод, не успевая реализовать свою способность к ионизации. В сильноточной форме разряда ситуация существенно иная. Электроны сразу набирают энергию в сильном прикатодном поле и затем растрачивают эту энергию двигаясь к аноду в области слабого поля в плазменной области. Поскольку движение происходит достаточно долго, то они успевают реализовать свою способность к ионизации. Именно поэтому в сильноточной форме разряда напряжение горения существенно ниже и вполне может оказаться, что оно будет ниже чем напряжение зажигания, так как инициирование разряда происходит под действием внешнего поля, рассредоточенного по промежутку, а не сконцентрированного в прикатодной области. Если это предположение справедливо, то и в случае разряда с магнитным полем для инициирования разряда может оказаться необходимым принятие каких-то дополнительных мер. Выяснение этого вопроса также представляет определенный интерес. 

В параграфе 4.1 представлены результаты экспериментальных исследований различных видов разряда в магнитном поле, проводившихся с целью выявления той системы, которая способна обеспечить устойчивое горение разряда при наиболее низких давлениях. Выяснение этого вопроса на основе известных экспериментальных данных является затруднительным, так как эти эксперименты проводились в различных условиях. В параграфе 4.2 представлена разработанная аналитическая модель разряда в магнитном поле, позволившая объяснить выявленные в эксперименте особенности разрядных характеристик. В параграфах 4.3 и 4.4 экспериментально и численно исследуется инициирование разряда в магнитном поле.

4.1 Экспериментальное исследование характеристик

разрядов в магнитном поле