Физические процессы в плазменных ключевых элементах при высоких плотностях токов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Воронин, Сергей Александрович

• Воронин, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Воронин, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Короткая низковольтная дуга в термоэмиссионном элементе

1.2. Кинетика сеточного гашения в ПК

1.3. Характеристики управления током в ПК

1.4. Самопроизвольные обрывы тока и обрывное гашение—

1.5. Ионное распыление металлов в области припороговых энергий

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

2.1. Введение

2.2. Экспериментальная установка

2.2.1. Конструкция экспериментальных приборов

2.2.2. Измерение давления паров цезия в экспериментальном приборе

2.3. Методики измерения характеристик разряда: анодных, зондовых, по джи га-1 а и 11 тш я

2.4. Методика исследования параметров плазмы

2.5. Методика исследования распыления сетки. Адсорбционно-десорбционные характеристики

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕННОМ КЛЮЧЕВОМ ЭЛЕМЕНТЕ С РАЗВИТЫМ КАТОДОМ

3.1. В о льт амперные характеристики прибора и характеристики управления плазменного ключа

3.2. Параметры плазмы ключа в проводящем состоянии

3.3. Прохождение тока через сетку

3.4. Обрывное гашение разряда

ГЛАВА 4 РАСПЫЛЕНИЕ АНТИЭМИССИОННЫХ СЕТОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ ПЛАЗМЕННЫМИ ИОНАМИ

ЦЕЗИЯ

4.1. Пороговая энергия и коэффициент ионного распыления.

4.2. Зависимость коэффициента распыления от энергии бомбардирующих ионов при изменении степени покрытия сетки цезием

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические процессы в плазменных ключевых элементах при высоких плотностях токов»

Среди различных методов преобразования тепловой энергии в электрическую важнейшее место занимает термоэмиссионный способ. Это определяется двумя обстоятельствами: во-первых, термоэмиссионный метод преобразования исключительно хорошо согласуется с ядерным реактором, и, во-вторых, допускает создание автономных электростанций в широком интервале выходных мощностей вплоть до мегаватт при минимальных весогабаритных показателях. Построенный на этом принципе термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) является мощньгм, компактным, долговечным источником электроэнергии, не содержащим движущихся частей. Все это обеспечивает ему широкую область применения -прежде всего для освоения космоса.

Однако ТРП является принципиально низковольтным сильноточным источником электроэнергии постоянного тока. На начальном этапе рабочие напряжения ТРП составляли 10.30 В и лишь в последние годы повысились до -100 В. Поэтому для ядерной термоэмиссионной станции (ЯТЭС) принципиальные трудности связаны с решением двух проблем: а)преобразование постоянного тока в переменный и его трансформация до уровня, необходимого системам потребления; б) передача энергии к узлам и системам потребления, которые должны находиться на расстоянии порядка нескольких десятков метров от ТРП. Обе проблемы находят оптимальное решение при сочетании ЯТЭС с инверторной системой при размещении инвертора напряжения непосредственно у ТРП. Но рабочие температуры составляют при этом ~ I ООО К, при высоком уровне радиации. Поэтому такой инвертор должен строиться на элементной базе, соответствующей указанным экстремальным рабочим условиям. Из элементов, необходимых для создания инвертора, наиболее сложную задачу представляла разработка термо- и радиационностойкого сильноточного ключевого элемента с низким (~1.2 В) прямым падением напряжения. Кроме того, ключи должны иметь хорошие частотные характеристики, обеспечивающие работу на частотах до десятков кГц без заметных потерь мощности.

В настоящее время совокупности всех этих требований удовлетворяют только плазменные ключи с полным сеточным управлением разрядным током цезиевой кнудсеновской низковольтной дуги, разработанные специально для зтой цели. Они имеют прямые падения напряжения от 1.5-2 В, обеспечивают модуляцию анодных напряжений до 100 В и выше при плотностях токов в несколько А/см2 и времени переключения I .Змкс, и обладают практически такой же радиационной стойкостью, как и сами термоэмиссионные преобразователи [I]. Традиционные газоразрядные приборы имеют на порядок большие прямые падения напряжения, а полупроводниковые не обладают пока необходимой термо- и радиационной стойкостью; кроме того, широкозонные полупроводники, способные в принципе работать при нужных температурах, имеют сравнительно высокие прямые падения (~ЗВ и более).

К сожалению, цезиевые ПК имеют один существенный недостаток -ограниченный сверху диапазон рабочих давлений цезия (lYs . 2102 Topp) [2]. Это остро ставит проблему катодного материала ключей, ограничивая их удельные мощностные характеристики и не позволяя использовать в полной мере все потенциальные возможности ключей для улучшения массогабаритных характеристик системы инвертирования. В настоящее время наилучшие показатели в этом плане имеют катоды с Pt покрытием, которые обеспечивают при таких низких давлениях цезия плотности рабочих токов 1-2 А/см2 [3]. Переход к более высоким давлениям снижает плотности модулируемых токов до уровня 0.5-1 А/см2 из-за так называемого эффекта «аномального негашения» [4,5].

По этой причине многократно предпринимались попытки увеличить верхний предел модулируемых токов. Наиболее естественным тут является использование Cs-Ba наполнения, что обеспечивает эмиссию в десятки А/см2 при PCs<10-2 Topp и, соответственно, модуляцию таких токов [6-8]. Однако введение бария повышает рабочие температуры катода до 1400-1500 К, что исключает использование отработанного тепла реактора и тем самым сильно усложняет техническую сторону вопроса (не говоря уже об очень высокой агрессивности паров Ва).

Другим традиционным способом повышения эмиссии катода является геометрическое развитие его поверхности, что также было успешно испробовано в ключе на базе окисленных Мо катодов [9]. Это техническое решение позволяет в 2-3 раза повысить модулируемые токи в цезиевых ПК, однако этот способ применим лишь при модуляции сравнительно больших анодных напряжений Еа>20 В, так как развитие катода увеличивает прямые падения напряжения на ключе на 1 .2В.

Принципиальной возможностью преодолеть ограничения, связанные с аномальным негашением и расширить диапазон рабочих давлений цезиевых ПК является использование для сеточного управления явления самопроизвольного обрыва тока в разряде [10]. В таких режимах увеличение плотности разрядного тока приводит к увеличению, а не к уменьшению эффективности гашения разряда отрицательным сеточным импульсом, что позволяет осуществлять управление токами при плотностях в десятки и даже сотни А/см2 и при давлениях цезия до 5.610"2 Topp и даже выше. Но для использования обрывного гашения необходимо иметь плотности токов на уровне 10-30 А/см2, которые получаются лишь в Сз-Ва ключевых элементах. Поэтому большим шагом вперед была идея увеличения плотности тока в плоскости сетки за счет ее диафрагмирования, что позволило реализовать эффективное обрывное гашение в цезиевых ПК [11]. Однако этот метод повышения удельных характеристик тоже возможен лишь при модуляции высоких напряжений из-за увеличения прямого падения напряжения при диафрагмировании сетки. И увеличение суммарного модулируемого тока с единицы площади поверхности катода оказывается относительно небольшим - до 2-4 А/см2, как и при развитом окисленном катоде.

Поэтому в свете полученных в [9,11] результатов возникла идея попытаться осуществить такое развитие эффективного платинового катода, которое позволило бы перейти в режим обрывного гашения без диафрагмирования сетки, только за счет увеличения плотности тока за счет развития. В случае успеха это могло бы быть существенным шагом на пути повышения удельных характеристик цезиевых ПК. Проверить эту возможность и являлось первой задачей диссертационной работы.

Помимо этого, реализация обрывного гашения без диафрагмирования сетки давала бы возможность провести исследование кинетики обрывного гашения в таких условиях. Хотя само явление самопроизвольного обрыва тока в газовом разряде известно давно и хорошо исследовано феноменологически [12], до сих пор физика процессов, протекающих при самопроизвольном обрыве (или ограничении тока в диафрагмах, сужениях и т.п.) до конца не ясна. Не вызывает сомнений, что первопричиной обрывов является дефицит тяжелой компоненты вблизи «узкого места» токопрохождения, однако сама кинетика процессов, предшествующих и сопровождающих обрыв, исследована явно недостаточно, тем более, что в различных условиях обрывы происходят по-разному. Обрывы в плазменных ключах представляют в этом плане уникальную возможность для исследования кинетики, так как процесс развития обрыва можно синхронизовать подачей отрицательного импульса на сетку и исследовать с хорошим временным разрешением изменение параметров плазмы по обе стороны от сетки в процессе обрыва тока оптическим или зондовым методом. Попытка такими измерениями прояснить картину развития обрыва тока, предпринятая в [9, 13], не принесла, однако, однозначных результатов, и одна из возможных причин заключается в том, что наличие зондов по обе стороны от малой диафрагмы (диаметром 2 мм) могло заметно влиять на протекание самого процесса обрыва. Поэтому второй задачей работы являлось исследование кинетики обрывного гашения в случае, если его удастся реализовать за счет развития катода без диафрагмирования.

Повышение удельных мощностей характеристик плазменных ключей, помимо реализации сеточного гашения при повышенных плотностях тока, имеет и еще один аспект, связанный с увеличением ионной бомбардировки сетки при увеличении концентрации плазмы в проводящем состоянии ключа, сопровождающем рост модулируемых токов [14].

Как известно, оптимальным режимом работы ключей с технической точки зрения является т.н. изотемпературный режим, когда температура катода, сетки и анода примерно одинакова и соответствует температуре холодильника ТРП (900-1200 К). В этом случае можно использовать для нагрева катода отработанное тепло реактора-преобразователя (нагревать катод и охлаждать анод теплоносителем из основного контура холодильника) [1]. Очевидно, что реализация изотемпературного режима требует разработки специальных антиэмиссионных для паров цезия покрытий, обеспечивающих низкую мА) термоэмиссию сетки [15]. При этом не менее важным, чем низкий уровень эмиссии, для сеточных покрытий является их стабильность по отношению к распылению ионами цезия, так как поверхность сетки при подаче отрицательного гасящего импульса подвергается достаточно интенсивной бомбардировке (ионный ток на сетку составляет десятки мА/см"). При этом проблема заключается не только в уносе материала и уменьшении покрытия, но и в адсорбции продуктов распыления на катоде и аноде, что может менять их работу выхода и выходные параметры ключа в процессе работы.

Распыление антиэмиссионных покрытий в рабочих условиях плазменного ключа было подробно исследовано в [15]. Там было установлено, что одно из таких покрытий - Ъх - имеет высокий порог распыления -20.25 эВ, что было связано с наличием на поверхности циркония адсорбированной пленки цезия, играющей роль «защитного покрытия». Однако непосредственного экспериментального подтверждения отсутствия распыления при меньших энергиях получено не было из-за недостаточной чувствительности измерительной методики. Учитывая первостепенное значение стабильности покрытия на всем длительном (годы) сроке службы ПК, необходимо было дальнейшее, более детальное исследование основных закономерностей ионного распыления в припороговой области при наличии на бомбардируемой поверхности цезиевой пленки. Это составляло третью, последнюю, но не менее важную задачу диссертационной работы.

Все эти три задачи представляли, по существу, разные стороны одной проблемы, а именно изучения особенностей физических процессов, протекающих в плазменных ключевых элементах при сеточном управлении большими плотностями разрядных токов.

Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и Приложения. Нумерация рисунков и формул для удобства дана по главам.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Воронин, Сергей Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.

Основная задача повышения выходных характеристик плазменных ключей с полным сеточным управлением состоит в увеличении максимальных модулируемых токов при высокой эффективности управления без увеличения габаритов самих приборов и уменьшения их надежности. В диссертационной работе предложен и успешно реализован новый подход к решению этой задачи

- переход к обрывным режимам сеточного гашения за счет значительного развития наиболее эффективного платинового катода и соответствующего увеличения его суммарной эмиссии.

Для решения поставленной в настоящей работе задачи разработаны, изготовлены и обследованы два лабораторных макета плазменных ключевых элементов - прибор с развитым катодом и специальный прибор для исследования ионного распыления материала сетки при работе ключа, которое особенно критично при модуляции больших плотностей токов. В процессе испытания приборов был выполнен большой объем чисто физических экспериментальных исследований, которые позволили не только обосновать перспективность предложенного метода увеличения выходных характеристик ПК, но и получить несколько принципиально новых физических результатов, важных для понимания процессов, протекающих в низковольтной дуге при работе ключа.

В результате исследований прибора с развитым платиновым катодом:

- реализованы устойчивые режимы обрывного гашения без диафрагмирования сетки и осуществлена модуляция токов до 15 А/см2 и исследована эффективность сеточного гашения для таких режимов;

- в широком диапазоне давлений цезия, токов эмиссии и анодных напряжений получены подробные данные о параметрах разрядной плазмы в проводящем состоянии ключа, продемонстрировавшие специфику плазмы ПК с развитым катодом и позволившие объяснить причину перехода к обрывным гашениям при относительно невысоких плотностях тока;

- впервые проведены зондовые измерения (с временным разрешением 40 не) динамики параметров плазмы при самопроизвольных обрывах тока, позволившие установить, что в исследованных условиях обрыв тока связан с выносом тяжелой компоненты плазмы из межэлектродного промежутка электронным давлением и соответствующим уменьшением электрической прозрачности сетки;

- сопоставление расчетных (по результатам зондовых измерений) балансов тока в плоскости сетки с измеренными анодными токами позволило установить, что в подавляющей части режимов, особенно при больших концентрациях и больших отрицательных потенциалах сетки в центре сеточной ячейки, куда подвод ионов наиболее затруднен, возникает виртуальный катод (горб потенциала) высотой ~ (1.2)кТе, который дополнительно ограничивает ток. через сетку. Поэтому модель «электрической прозрачности» удовлетворительно описывает прохождение тока лишь при невысоких концентрациях плазмы ~1012 см \

В результате исследования ионного распыления на приборе с циркониевым покрытием сетки

- установлено наличие двух линейных участков на зависимости коэффициента распыления от квадрата энергии бомбардирующих ионов 8(Е2) в области припороговых энергий;

- показано, что участок с большим наклоном соответствует, вероятнее всего, распылению циркония из-под адсорбированного слоя атомов С\ а участок с малым наклоном при минимальных энергиях - распылению свободной поверхности Zr;

- определены пороги распыления в 23 эВ и 8 эВ для этих процессов.

110

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность научному руководителю Александру Николаевичу Андронову, Норберту Георгиевичу Баньковскому, Валентину Константиновичу Шигалеву, Артемию Марковичу Марциновскому и всем другим сотрудникам сектора А.I I. Андронова и кафедры физической электроники за оказанную неоценимую помощь при подготовке эксперимента, его проведении и обсуждении результатов.

Ill

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Воронин, Сергей Александрович, 2000 год

1. Grjaznov, G. М. and others. Thermionic inverter.// IAEA 1975 TCS Meeting, Eindhoven, 1975, p. 1-16.

2. Бакшт Ф. Г., Каплан В. Б., Костин А. А., Марциновский А. М., Расулов Ф. IT.,

3. Свешникова Н. Н., Сербии В. И., Юрьев В .Е. Исследование стационарного проводящего состояния сеточного ключевого элемента. I и II. // ЖТФ, 1978, т. 48, № 11, с. 2273-2294.

4. Бакшт Ф. Г., Костин А. А., Марциновский А. М. и др. // Письма в ЖТФ, 1979, т.5, № 15, с. 905-910.

5. Алексеев Н. И., Каплан В.Б., Марциновский A.M., Столяров И И. Области существования режимов с аномально высокой скоростью генерации плазмы в сеточных ключевых элементах. // ЖТФ, 1997. т.67, № 6, с. 15-20.

6. Кайбышев В. 3., Кузин Е. А., Влияние третьего электрода на обрыв тока низковольтной дуги. 11 ЖТФ, 1975, т. 45, № 2, с. 320-326.

7. Каплан В. Б. , Марциновский А. М., Мустафаев A.C., Сербии В.И., Ситнов

8. В.И., Эндер А. Я. , Юрьев В. Г. Импульсное управление током сильноточного разряда на смеси паров цезия и бария. // ЖТФ, 1977, т.47, № 10, с. 2068-2078.

9. Murray С., Wemsman В., id-Genk M.S., Kaibyshev V. 11 J. Appl. Phvs., 1992, v.72, p. 4556.

10. Расулов Ф.Н. Физические процессы в сеточном ключевом элементе и пути повышения модулируемых токов. Дисс. на соискание уч. степ. канд. физ.-мат. наук.-Л.: 1982, 294 с.

11. Каплан В. Б., Марциновский А. М., Мустафаев А. С., Ситнов В. И., Эндер А.Я., Юрьев В.Г. Особенности самопроизвольного обрыва тока сильноточного разряда низкого давления в смеси цезия и бария. // ЖТФ, 1979, т.49, № 3, с. 567-572.

12. Грановский В.Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток. Под ред. Сена. Л.А. и Голанта В.Б. М. Наука., 1971.

13. Шигалев В.К. Плазменные ключи с низкой термоэмиссией сетки. Дисс. на соискание уч. степ. канд. физ.-мат. наук. СПб.: 1999, -160 с.

14. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / Под ред. Мойжеса Б. Я. и ПикусаГ. Е., М. Наука, 1973. -480 с.

15. Бакшт Ф.Г., Богданов А.А., Каплан В.Б. и др. // Физика плазмы. 1981, т.7, № 3, с. 547-559.

16. Бакшт Ф. Г., Колосов Б.И., Костин А.А., Юрьев В.Г. Математическое моделирование процессов в низковольтном пучково-плазменном разряде. / Энергоатомиздат, Москва 1990, -136 с.

17. Kaplan V.B, Martsinovskiy A.M., Rasulov F. N., Yuriev. Kinetic of negative grid pulse influence upon discharge plasma // J. de Physiqe Colloque C7, supplement au №7, 1979, v. 40, p. 495-496.

18. Бакшт Ф.Г, Костин А.А., Марциновский A.M. и др. // Письма в ЖТФ. 1981, т.7, №20, с. 1271-1276.

19. Langmuir 1. D., Mott-Smith Н. Studies of electric discharges in gases at low Pressures. // -General electric Rev. 1924. v. 27, p. 762-771.

20. Hull A.W. Fundamental electrical properties of mercury vapor and monoatomic gases. // Electrical engineering, 1934, v.53, p. 1435-1442.

21. Tonks L. Theory and phenomena of high current densities in low pressure arcs. // Electrochem. Soc., 1937, v.72,p. 167-182.

22. Грановский В.Jl., Суетин Т.А. Генерация мощных электрических колебанийв разряде низкого давления. // ЖТФ. 1947. т. 17, № 2. с. 291-298.

23. Полетаев И.А. Пределы устойчивого существования положительного столба газового разряда. //ЖТФ, 1951, т.21, с. 1021-1028.

24. Caruso A., Cavalieve A. The low pressure discharge in the strong ionization regime. // Brit. J. Appl. Phys., 1964, v. 15, p. 1021-1029.

25. Torven S. The neutral atom distribution function in a low pressure positive column.

26. Phys. Scripta, 1974, v.4, p. 65-70.

27. Andrews J.G., Allen J.E., Theory of a double sheath between plasmas. // Proc. Royal Society London A., 1971, v. 320, p. 459-472.

28. Allen J.E., Thoneman P.C. Current limitation in the low-pressure mercury vapor arc. // Proc. Phys. Soc., 1954, v.67, p. 768-774.

29. Stangeby P.C., Allen I.E. Current limitation in mercury vapor discharges. I Theory. //J. Phys. A., 1971, v. 4, p. 108-119.

30. Stangeby P.C., Allen J.E. Current limitation in mercury vapour discharges. II

31. Experiment. // J. Phys. D., 1973, v.6, p. 224-242.

32. Коненко O.P., Мусин A.K., Утенкова С.Ф. Разряд низкого давления в гетерогенной среде. // ЖТФ, 1973, т.43, с. 1685-1694.

33. Коненко О.Р., Мусин А.К. Электрический ток в гетерогенной среде с неподвижным и движущимся токовым каналом. // ЖТФ, 1973, т.43, с. 20752086.

34. Луценко Е.И., Середа Н.Д., Концевой Л.М. Исследование ограничения тока в сильноточном разряде. // ЖТФ. 1975, т. 69, с. 2067-2078.

35. Суетин Т. А. Стенотрон ионизационно-генераторная лампа. II Электричество. 1946, т. 5, с. 44-48.

36. Болотов А.В., Козырев А.В., Колесников А.В., Королев 1(3.Д., Работкин В.Г., Шемякин А.И. Обрывы тока в импульсном разряде низкого давления,инициируемом путем принудительного зажигания катодного пятна // ЖТФ. -1991, т. 61, № 1, с. 40-45.

37. Дюжев Г.А., Старцев Е.А., Школьник С.М. Ограничение тока в полом катоде при низком давлении. //ЖТФ. 1978, т.48, с. 2495-2499.

38. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла:

39. Пер. с англ. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича. - ML: Мир, 1967. -506 с.

40. Бериш Р., Виттмак К. Распыление ионной бомбардировкой / -1998. -551с.

41. Моргулис Н.Д., Тигценко В.Д. Исследование катодного распыления в припороговой области I. // ЖЭТФ. 1956. т. 30, № 1, с. 54-59.

42. Handoo А.К., Ray Р.К. Sputtering of cobalt and chromium by argon and xenon ions near the threshold energy region. // Can. J. Pin s. 1993, v. 71, № 3&4, p. 155158.

43. McKeown D. A new measurement method of sputtering near threshold energies. // Rev. Sci. Instr, 1961, v.32. p. 133.

44. Langsberg E. Analysis of low-energy sputtering. // Phys. Rev. 1958, v.l 11, № 1, p.91.97.

45. Wehner G.K. Controlled sputtering of metals by low-energy Hg ions. // Phys. Rev. 1956, v. 102, №3, p. 690-704.

46. Wehner G.K. Low-energy sputtering yields in Hg+. // J. Appl. Phys., 1958, v.l 12. № 3, p. 1120-1124.

47. Stuart R.Y., Weimer G.K. Sputtering thresholds and displacement energies. // Phys. Rev. Letters. 1960, v. 4, № 8, p. 409-410.

48. Wehner G., Medicus G. Sputtering by low speed ions. //Journ. Appl. Phys., 1954. v.25. p. 698.

49. Stuart R.V., Wehner G.K. / Annual report No. 2243, General Mills, Minneapolis 3, Minnesota, November 1961.

50. Harrison D.E., Magnuson G.D. Sputtering thresholds. // Phys. Review. 1961, v. 122, №5, p. 1421-1430.

51. Справочник химика. В 3 т. / Ред. Б.П. Николькский. Изд. 3. Л.: Химия, 1971. т. 1,-684 с.

52. Каган Ю.М., Перель В.И. Зондовые методы исследования плазмы // УФН. -1963, т. 81, №3. с. 409-452.

53. Чен Ф. Электрические зонды // Диагностика плазмы / Под ред. Хадлстоуна Р.И. и Леонарда С. Пер. с англ. М., 1967, с. 94-133.

54. Алексеев Н.И., Каплан В.Б., Марциновский A.A. Исследование физических процессов в плазменных ключевых элементах с крупноструктурной сеткой. I Стационарное проводящее состояние. // ЖТФ, 1992, т. 62, № 9, с. 70-83.