Плазменные ключи с низкой термоэмиссией сетки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Шигалев, Валентин Константинович

• Шигалев, Валентин Константинович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шигалев, Валентин Константинович

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.-.

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ.

1.1. Введение.

1.2. Методики измерения характеристик разряда: анодных, зондовых, по джига-гашения, электропрочности.

1.3. Методики исследования параметров плазмы.

ГЛАВА 2. НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ДУГОВОЙ РАЗРЯД В ДИОДЕ С КСЕ-НОНОВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ.

2.1. Введение: низковольтные дуги в инертных газах.

2.2. Конструкции экспериментальных/ приборов.

2.3. Виды низковольтного дугового разряда в ксеноне и особенности его вольт-амперных характеристик

2.4. Параметры плазмы низковольтной дуги в ксеноне—.

ГЛАВА 3. ПЛАЗМЕННЫЕ КЛЮЧИ С КСЕНОНОВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ.

3.1. Введение.-.

3.2. Экспериментальная методика.—.

3.3. Виды разряда и вольт-амперные характеристики.

3.4. Зависимость напряжения горения разряда от давления ксенона и межэлектродных расстояний.

3.5. Влияние на токопрохождение параметров сетки

3.6. Параметры ксеноновой плазмы в трехэлектродном сеточном приборе.

3.7. Влияние отрицательного сеточного смещения на параметры разряда и токопрохождение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плазменные ключи с низкой термоэмиссией сетки»

Плазменные ключи (ПК), реализующие полное сеточное управление током кнудсеновской низковольтной дуги при высоких концентрациях плазмы и плотностях тока (п~1013.1014 см 3, ]к~1.10 А/см2), были разработаны для инвертирования низкого выходного напряжения термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) космических энергоустановок [1]. Из-за относительно низких (~Ю.ЗО В) выходных напряжений ТРП такие установки без системы инвертирования не могут быть универсальными.

К инвертору космических ТРП предъявляются очень жесткие требования: работа в условиях высокой температуры окружающей среды и высокого уровня радиации непосредственно у активной зоны реактора или даже в ней, хорошие частотные характеристики (модуляция на частотах до десятков килогерц при потерях мощности на переключение в несколько процентов), и, главное, низкие (ил~1.2 В) прямые падения напряжения, сопоставимые с этим параметром у полупроводниковых ключей. Последние требования обеспечивают приемлемый к.п.д. (~90.95%) при модуляции низких напряжений. Несмотря на успехи, достигнутые в разработке высокотемпературных полупроводниковых приборов (СаАв, 81С), в совокупности всем этим требованиям и сейчас удовлетворяют только плазменные ключи. Отметим также, что очень высокая температурная и радиационная стойкость плазменных ключей делает их весьма перспективными в ряде наземных приложений как силовых элементов высокотемпературной электроники, - например, для работы (измерений) в ядерных реакторах и возле них, в металлургии плавления и т.д. [2]. Поэтому дальнейшее совершенствование плазменных ключей, как и изучение сложных и многообразных плазменно-поверхностных процессов, определяющих возможность сеточного управления током разряда, продолжает оставаться одной из важных задач плазменной и физической электроники.

В настоящее время физические процессы, протекающие при работе ПК, в главных чертах выяснены. ПК удерживаются в запертом состоянии небольшим (порядка нескольких вольт) отрицательным смещением на сетке, переходят в проводящее состояние (поджигаются) при подаче на нее короткого (~5.10 мкс) положительного импульса напряжения амплитудой -10.20 В и запираются (гасятся) подачей отрицательного импульса длительностью 5.50 мкс с крутым (~0,1 мкс) фронтом и амплитудой до -50. -100 В [1,3,4]. При этом прерывание тока (которое долгое время считали невозможным в газоразрядных приборах) может происходить либо за счет инерционности ступенчатой ионизации [3-6], либо за счет явления самопроизвольного обрыва тока, если ток в разряде близок к уровню критического тока, больше которого плазма не может пропустить даже при предельной степени ионизации [7-10].

В первом случае при подаче на сетку отрицательного импульса происходит быстрое квазиравновесное расширение приэлектродных слоев у витков сетки, сокращающее ее электрическую прозрачность и приводящее к уменьшению (первоначальному запиранию) тока. При достаточно большой амплитуде гасящего импульса начальное запирание велико (~50% и более), уменьшение тока вызывает перераспределение коммутируемого анодного напряжения Еа между анодной нагрузкой и прибором - напряжение на нагрузке уменьшается, анодное напряжение растет, причем оно может увеличиваться во много раз по сравнению с проводящим состоянием (с ид до ~Еа). Избыточное напряжение падает в плоскости сетки, в результате чего проходящий через сетку остаточный ток формирует электронный пучок с энергией веп~еЕА, вносящий в анодную область значительную энергию. Пучок возбуждает плазменные колебания, которые за счет столкновитель-ного затухания при рассеянии плазменных электронов на атомах и ионах передают им (электронам) свою энергию [11-13]. Температура плазменных электронов быстро (почти безынерционно [4-6]) возрастает, однако нарастание концентрации оказывается существенно (на 1.2 мкс) затянутым. За счет этого отбор ионов на витки сетки из межвиткового пространства после первоначального запирания может приводить к перемыканию слоев витков и гашению разряда раньше, чем рост напряжения на аноде ua приведет к восстановлению тока до первоначального уровня.

Во втором случае уменьшение электрической прозрачности ячейки сетки после подачи импульса увеличивает плотность тока выше критического уровня, что приводит к возникновению обрывной неустойчивости. Если плазма в анодной области уже достаточно сильно ионизована, развиваются предобрывные колебания, которые завершаются прерыванием тока - тем быстрее, чем существеннее превышение тока в плоскости сетки над критическим значением и чем меньше резервы роста концентрации па в анодной области за счет увеличения степени ионизации. При небольшой степени ионизации неустойчивость может либо сразу, либо через некоторое время подавляться за счет роста па, и прерывания тока не происходит.

Технические характеристики ПК так же исследованы достаточно полно [4,8,9,14,15]. Они могут модулировать токи плотностью от десятых долей до многих десятков ампер с квадратного сантиметра (Cs-Ba ПК) при коммутирукмых напряжениях до 300 В и обеспечивают прямое падение (в зависимости от типа ключа) ~1,5.3,5 В; время поджига и гашения составляет ~0,1.1 мкс. Эти параметры позволяют создавать высокоэффективные системы преобразования качества электроэнергии как для ТРП, так и для ряда наземных устройств Разработаны и прошли успешные испытания полноразмерные макеты ключей, показавшие отсутствие эффекта масштабирования и подтвердившие возможность создания промышленных приборов [1]. Однако промышленное изготовление и внедрение плазменных ключей упирается в ряд трудных технических проблем. Из них наиболее серьезной является проблема электродных материалов - материалов катода и сетки.

Проблема материала катода возникает из-за относительно низких рабочих давлений паров Cs: pcs<1.2.10"2 Topp. При более высоких давлениях наблюдается явление так называемого "аномального негашения", когда после подачи на сетку отрицательного импульса напряжения и значительного (иногда почти полного) запирания тока происходит необычно быстрое (за время —0,1 мкс) восстановление тока до первоначального уровня [11,16,17]. При этом увеличение амплитуды импульса обычно не приводит к гашению, а иногда даже усугубляет ситуацию.

Проблема катодного материала в принципе может быть решена, аналогично кнудсеновским ТЭП с поверхностной ионизацией [18,19], использованием смеси паров Cs и Ва [20-22]. Введение бария позволяет получать практически любую эмиссию (до десятков ампер с квадратного сантиметра) независимо от давления паров цезия, то есть работать в области pcs~10"3. 10"2 Topp, где гашение достигается проще всего. Однако использование бинарного наполнения имеет и ряд существенных отрицательных моментов. Это: усложнение конструкции прибора (два резервуара), высокая агрессивность паров Ва (проблема конструкционных материалов, и прежде всего изоляторов), высокие рабочие температуры катода Тк>1500 К для получения эмиссии jK> 10 А/см2. Последнее обстоятельство является принципиальным. В парах Cs максимум эмиссии (максимум на "S-образной" кривой) приходится на область катодных температур -1000 К. Это область температур анода у ТЭП реактора-преобразователя (холодильник на Na-K эвтектике работает при 850.900 К, на Li -при 1200 К). Поэтому для ключей с цезиевым наполнением нагрев катода можно легко осуществлять за счет отработанного тепла, снимаемого с анодов ТЭП - теплоносителем системы охлаждения анодов перед поступлением его в холодильник. Этот вариант разогрева дает столь существенные технические преимущества, что были предприняты значительные усилия для поиска катодных материалов, способных обеспечить ток эмиссии в несколько ампер с квадратного сантиметра при pcs~10 2Topp. В конце концов проблема была решена и материалы, дающие необходимые плотности тока, найдены. Среди них наиболее перспективной оказалась, по-видимому, платина - точнее, тонкий слой платины, нанесенный на подложку из простого тугоплавкого металла (Мо, XV). Такие катоды способны обеспечивать плотности тока до ~5 А/см2, а в случае развития поверхности - и в 2.3 раза больше [10].

Проблема сеточного материала прямо противоположна - необходим материал (или сеточное покрытие), обладающий достаточно низкой термоэмиссией в парах цезия. В отсутствие сеточной эмиссии, когда ионизация идет только за счет электронов, прошедших через ячейки сетки (а их очень мало), для получения электропрочности ~50.Ю0 В обычно достаточно отрицательного смещения в несколько вольт [4]. При наличии эмиссии она снимается в таких условиях, в основном, на анод, и в промежутке сетка-анод происходит прямая ионизация атомов Се. Если создается достаточное количество ионов (оно зависит от анодного напряжения, плотности тока эмиссии сетки и давления паров цезия), меняется распределение потенциала в промежутке сетка-анод, и, в конце концов, образуется область с квазинейтральной плазмой и потенциальной ямой (для электронов), что, вообще говоря, усиливает ионизацию. И на определенной стадии начинается "провисание" потенциала в сеточных ячейках, увеличение проходящего на анод тока эмиссии катода, возникает ионизация в катодной области и, в конце концов, происходит поджиг разряда. Рост отрицательного потенциала сетки, уменьшающий ее прозрачность, вообще говоря, увеличивает пробойное напряжение, но этот фактор работает при не слишком высокой эмиссии сетки. Дело в том, что при |ис|>5 В начинается прямая ионизация той частью тока эмиссии, которая снимается на катод, что при достаточной интенсивности этого процесса быстро ведет к поджигу разряда. Поэтому при большой эмиссии сетки электропрочность получается максимальной при ис —5 В [15, 23], а дальше уменьшается.

Оценка температуры сетки (от которой зависит ее термоэмиссия) в рабочем режиме ПК представляет весьма непростую задачу, так как ее температурный режим зависит от многих трудно учитываемых факторов (от излучения соседних электродов и плазмы, от оттока тепла за счет теплопроводности держателей, от взаимодействия с плазмой и т.п.). Можно считать однако, что ее температура близка к средней между температурами катода и анода и даже несколько превышает эту величину из-за разогрева электронным и ионным токами на сетку. Поэтому если температуру анода цезиевого ключа поддерживать на ~ 100 К ниже температуры катода, используя для его охлаждения теплоноситель на выходе из холодильника (что наиболее просто и рационально), то температуры всех трех электродов: катода, сетки и анода, - оказываются примерно одинаковыми (изотемпера-турный вариант ключа). В этом случае (а именно он представляет наибольший интерес для практики) материалы катода и сетки при практически одной и той же температуре и одинаковом давлении паров цезия должны давать стабильную (в течение полного ресурса энергоустановки, то есть в течение 104.105 ч) эмиссию, различающуюся на три порядка как минимум. Это наглядно иллюстрирует трудность решения проблемы сеточного материала. Тем более, что при исследовании ТЭП изучались лишь материалы с высокой эмиссией (для катода) и минимальной работой выхода (для анода), а область слабоэмитирующих материалов с низкой вакуумной работой выхода оказалась практически неизученной.

Конечно, проблему термоэмиссии сетки можно решить радикально на обычных тугоплавких металлах с низкой вакуумной работой выхода (например, Та, N13) за счет ее охлаждения до 700.800 К. Однако это решение имеет два очень существенных недостатка. Первый очевиден - это необходимость иметь специальный "низкотемпературный" холодильник, что увеличивает массу системы инвертирования и усложняет и без того сложную конструкцию всей энергоустановки. Второй связан с серьезным усложнением конструкции самого ключа - даже при наличии холодильника из-за малого межэлектродного расстояния катод-анод (несколько миллиметров) охладить сетку нелегко, особенно, если иметь в виду малый диаметр витков и их слабую теплопроводность. Охлаждение можно реализовать либо за счет прокачки теплоносителя через элементы сеточного узла, либо за счет увеличения площади поверхности сетки, обменивающейся излучением с анодом. Оба варианта оказались очень сложными, что показал опыт СБ-Ва ключей, где они использовались (в этом случае из-за адсорбции бария температура холодильника, - анода,--1200 К, вполне достаточна для того, чтобы обеспечить низкий уровень термоэмиссии сетки).

Другой радикальный путь решения проблемы - отказ от цезиевого наполнения в пользу инертного. Этот путь, конечно, предполагает утрату многих преимуществ цезиевого наполнения (минимальные прямые падения напряжения и высокая эмиссия катода на тугоплавкой подложке), однако позволяет использовать обычные и Мо сетки. Неизбежное напыление активных компонентов оксидного катода (или иного эффективного катода; однако оксидный имеет то преимущество, что его можно разогревать отработанным теплом) на сетку не столь страшно - антиэмиссионные покрытия (Аи, и т.д.) для таких условий хорошо отработаны в вакуумной радиоэлектронике. Кроме того, представляется весьма вероятным, что эти покрытия не будут необходимы из-за очистки поверхности сетки ионной бомбардировкой.

Сдерживающим моментом для этого направления на начальном этапе исследования ключей являлось относительно высокое прямое падение напряжения, которое предполагалось для низковольтной дуги в инертных газах. Так как первоначально считалось, что выходное напряжение РП будет очень низкое (10.20 В), это исключало практическое использование ключей с инертным наполнением. Однако в процессе совершенствования ТЭП выходные напряжения увеличились, а новые исследования [24] низковольтной дуги в инертных газах показали, что падения напряжения могут быть не столь велики, как предполагалось на базе предшествующих исследований [25,26]. Это и определило одну из задач настоящей диссертации - исследование ключей с ксеноновым наполнением. При этом первым этапом была проверка предшествующих результатов [24], которые вызывали определенные сомнения, а вторым (в случае их подтверждения) - исследование трех-электродных приборов.

В то же время преимущества изотемпературного варианта ключа оказались столь существенными с технической стороны, что обусловили интенсивные поиски антиэмиссионных материалов для сетки в условиях це-зиевого наполнения. Но хотя такие материалы и были найдены [1], проблему эту все же нельзя считать решенной, поскольку не была определена стабильность их свойств в процессе работы ключа. Учитывая большой ресурс, прямые исследования в этом направлении представляют весьма значительную сложность. В то же время для сетки, помимо определяющих ресурс ТЭП процессов массопереноса электродов и влияния остаточных и накапливающихся газов (например, Ш), существует весьма серьезный дополнительный фактор - ионная бомбардировка. Циклические плазмохимические реакции массопереноса (и влияние газов) уже хорошо изучены в ТЭП, поэтому воздействие этих факторов на ресурс ключа может прогнозироваться с достаточной уверенностью. Влияние же ионной бомбардировки предсказать без специального изучения невозможно. Если в проводящем состоянии энергия ионов невелика и они, скорее всего, только разогревают сетку, то при подаче гасящего импульса она возрастает до десятков электрон-вольт. А в момент запирания тока, когда модулируемое напряжение почти все приложено к аноду, энергия ионов будет составлять в^е(|ис|+ЕА). Более того, если в анодной цепи при этом присутствует индуктивность (обмотка трансформатора), анодное напряжение за счет индуктивного выброса может увеличиться до сотен вольт. Очевидно, что в таких условиях свойства поверхности сетки, и прежде всего - эмиссионные, могут существенно меняться за счет ее очистки от загрязнений, внедрения ионов Се в приповерхностные слои (возможно, с последующей диффузией в объем), распыления. И хотя ион цезия обладает одним из наименьших коэффициентом распыления [27-29], длительность процесса должна неизбежно влиять на свойства поверхности.

Использовать для оценки распыления данные, имеющиеся в литературе для ионов Се, не имеет смысла, так как поверхность сетки при работе ключа покрыта адсорбированным слоем атомов цезия. Можно с достаточной степенью уверенности предположить, что это покрытие должно в первую очередь воспринимать кинетическую энергию бомбардирующих частиц и тем самым в значительной мере "защищать" подложку от распыления. Поэтому для изучения стабильности сеточных материалов необходимо исследовать ионное распыление именно с покрытой цезием поверхности, и лучше всего - в условиях обновляющегося покрытия, то есть в парах цезия. Такие исследования ранее не проводились, и было даже неясно, каким образом методически их можно выполнить. Это обстоятельство и определило вторую задачу диссертации - создание и отработку методики исследования распыления подложки при наличии на ней адсорбционного равновесного покрытия, и проведение исследований распыления в таких условиях. Очевидно, что успешное решение этой задачи позволяет в принципе решить проблему проведения недостающих исследований сеточных антиэмиссионных материалов и, в конечном счете, - проблему отыскания (или создания) сеточного материала с необходимыми эмиссионными свойствами и достаточной стабильностью в процессе работы ключа.

Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и трех приложений. Ввиду того, что задачи диссертации с точки зрения физики в значительной степени разнородны, обзор литературы предваряет соответствующие разделы (исследование приборов с ксеноновым наполнением и ионного распыления в парах цезия). По той же причине описание конструкций экспериментальных приборов и рассмотрение некоторых вопросов экспериментальной методики также отнесено к этим разделам. Нумерация рисунков и формул для удобства даны по главам.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Шигалев, Валентин Константинович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Одним из существенных факторов, ограничивающих рабочие параметры, надежность и стабильность плазменных приборов высокотемпературной электроники с полным сеточным управлением является, как известно, термоэлектронная эмиссия сетки.

Для решения поставленной в настоящей работе задачи, - поиска методов борьбы с указанным явлением, - намечены два разных по своей физической сущности направления.

Первое связано с использованием инертного плазмообразующего наполнения: оно не может создавать на поверхности сетки (изготовленной из тугоплавкого металла с высокой вакуумной работой выхода) эмиссионно-активных покрытий (в качестве такого наполнения целесообразно использовать ксенон, обладающий наименьшим среди инертных газов потенциалом ионизации).

Второе предусматривает применение в приборах с цезиевым наполнением антиэмиссионных сеточных покрытий, позволяющих снизить термоэмиссию сетки в рабочих режимах прибора до уровня, не нарушающего процесс модуляции тока.

Поиск в обоих из указанных направлений потребовал проведения большой серии чисто физических экспериментальных исследований.

Для этого разработана, изготовлена и обследована серия лабораторных макетов плазменных ключевых элементов (ПКЭ), работающих в режиме низковольтного дугового разряда, а также несколько экспериментальных приборов для вспомогательных измерений. При создании макетов учитывалась необходимость проведения исследований в достаточно широких диапазонах изменения внешних параметров (давления газа, напряжения источника анодного питания, температуры катода, температуры сетки, плотности тока термоэмиссии катода, межэлектродных расстояний, параметров сетки и т.п.).

В результате исследований приборов с ксеноновым наполнением:

- установлено, что вольт-амперные характеристики короткой низковольтной ксеноновой дуги в области, где наблюдаются минимальные напряжения горения, состоят из двух частей, одна из которых соответствует режиму развитого разряда, а вторая - режиму "ball of fire", причем минимальное напряжение горения дуги в диодном режиме при разрядном токе, примерно равном току эмиссии катода, составляет 3.5 В;

- получены подробные сведения о параметрах плазмы в разных режимах разряда и об их распределении по межэлектродному промежутку; это позволило установить, что наряду с общими для всех низковольтных дуг свойствами (наличие потенциальной ямы, ступенчатая ионизация) низковольтная дуга в ксеноне имеет (в отличие от цезиевой) ряд важных особенностей, обусловленных специфическим характером релаксации катодного пучка электронов по энергии в ксеноновой плазме, структурой возбужденных уровней атома ксенона, высокой скоростью конверсии атомарных ионов в молекулярные при больших давлениях ксенона;

- показано, что экспериментальные данные по параметрам ксеноновой плазмы находятся в хорошем качественном и количественном согласии с опубликованными результатами теоретических исследований, что позволяет сделать заключение о возможности использования последних для расчетов при конструировании технических приборов с ксеноновым наполнением.

В результате изучения плазменных ключей с ксеноновым наполнением установлено, что:

- введение в разрядный зазор сетки во всех режимах увеличивает напряжение горения дуги, причем этот эффект в случае разряда в ксеноне проявляется значительно сильнее, чем при разряде в парах цезия, что обусловлено своеобразием процессов передачи энергии от катодного электронного пучка ксеноновой плазме;

- при низких давлениях и малых расстояниях между сеткой и катодом устойчиво наблюдается так называемый таситронный режим горения разряда;

- наименьшее напряжение горения разряда (7.8 В) наблюдается в сеточном ксеноновом триоде при давлении ~1 Topp, когда сетка находится между катодом и серединой разрядного промежутка;

- в исследованной области давлений (2.10 2. 1,0 Topp) наблюдается относительно высокая электропрочность: небольшое отрицательное смещение на сетке (—3 В) предотвращает зажигание разряда при напряжениях источника анодного питания по меньшей мере до 150 В;

- после подачи на сетку отрицательного импульсного напряжения с коротким фронтом дальнейшее токопрохождение, как и в цезиевых ПКЭ, определяется процессами ионизации в области сетка-анод; в зависимости от их характера можно выделить три наиболее типичных вида гашения разряда: "потенциальное", "быстрое" и "медленное";

- эффективность гашения разряда ухудшается с увеличением давления ксенона и силы разрядного тока; в каждом режиме можно указать граничное значение давления, выше которого гашение разряда оказывается невозможным;

- в ПКЭ с ксеноновым наполнением не возникает проблемы сеточной эмиссии, он обладает достаточной надежностью и стабильностью, однако более высокое падение напряжения на дуге делает его менее экономичным по сравнению с цезиевым, что ограничивает область возможного технического использования модулируемыми напряжениями Еа>50.100 В.

В результате исследования влияния антиэмиссионных сеточных покрытий на работу плазменных ключей с цезиевым наполнением:

- показано, что среди изученных покрытий (гафний, цирконий, нитрид циркония и двуокись церия) наилучшими антиэмиссионными свойствами в парах цезия обладает металлический цирконий, обеспечивающий устойчивую работу ключа при характерных для цезиевых ПКЭ температурах сетки (порядка 1000 К);

- в приборах, содержащих сетку с антиэмиссионным покрытием из двуокиси церия, обнаружен не описанный ранее в литературе вид гашения, характеризующийся значительным отставанием (на Ю-5. Л О-3 с) момента прерывания тока от момента подачи гасящего сеточного импульса ("гашение с задержкой");

- установлено, что "гашение с задержкой" осуществляется при более низких амплитудах сеточного гасящего импульса по сравнению с другими видами гашения в идентичных условиях; существенно, что в данном случае эта амплитуда (в отличие от других видов гашения) практически не зависит от напряжения источника анодного питания и фронта сеточного импульса;

- показано, что относительная эффективность "гашения с задержкой" возрастает с увеличением тока эмиссии катода, а при больших значениях плотности тока термоэмиссии катода - и с увеличением разрядного тока; особенно эффективно "гашение с задержкой" при внешней нагрузке с индуктивной составляющей, когда используемые для "обычного" гашения сеточные импульсы с крутым фронтом приводят в первый момент после подачи к резкому росту анодного напряжения и, следовательно, к увеличению скорости генерации ионов в анодно-сеточной области, что часто препятствует прекращению токопрохождения;

- предложена физическая модель процесса "гашения с задержкой", основанная на абсорбции ионов цезия антиэмиссионным покрытием; она подтверждена специальными экспериментами, анализом данных об абсорбции и десорбции цезиевых частиц покрытием, а также соответствующими оценочными расчетами.

В части работы, посвященной исследованиям ионного распыления материала сеточного покрытия:

- создана и использована в экспериментах принципиально новая методика, позволяющая, в отличие от всех известных, изучать это явление непосредственно в условиях разряда. Методика, основанная на регистрации изменения термоэлектронной эмиссии катода при поступлении на его поверхность частиц, отлетающих от бомбардируемого плазменными ионами электрода (на анализе адсорбционно-десорбционных кривых), обладает высокой чувствительностью и весьма эффективна для изучения ионного распыления атиэмиссионных сеточных покрытий;

- установлено, что среди четырех изученных антиэмиссионных покрытий наиболее стойкими по отношению к ионной бомбардировке являются покрытия из металлического циркония и из нитрида циркония (однако антиэмиссионные свойства последнего хуже). Покрытия из гафния и двуокиси церия при ионной бомбардировке распыляется весьма интенсивно, причем гафний вызывает значительно более сильное отравление платинового катода, чем цирконий, становящееся со временем необратимым, а двуокись церия оказывает слабое активирующее воздействие;

- определена эффективная пороговая энергия распыления циркониевого антиэмиссионного покрытия в результате бомбардировки цезиевыми ионами при наличии на нем постоянно возобновляющегося равновесного слоя адатомов цезия, которая оказалась равной 20 эВ. Это значение примерно втрое превосходит порог распыления циркония в отсутствие цезие-вого слоя, что непосредственно подтверждает его существенную "защитную" роль при ионном распылении;

- измерена энергия адсорбции атомов циркония на поверхности ре-ниевого катода при наличии адсорбционной пленки атомов цезия, которая оказалась равной 2,7 эВ - значительно меньше теплоты сублимации металлического циркония, что указывает на существенное уменьшение энергии адсорбции атомов циркония на рениевой подложке в присутствии цезия и обуславливает относительно быстрое удаление этих атомов при ионной бомбардировке;

- показано, что для циркониевого антиэмиссионного покрытия при амплитуде управляющих сеточных импульсов |ис-|<20 В модуляция анодного напряжения происходит практически без распыления материала поверхности сетки. Это позволяет считать, что с технической точки зрения циркониевое покрытие практически решает задачу выбора материала для сеточного электрода плазменного ключа с цезиевым наполнением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шигалев, Валентин Константинович, 1999 год

1. Gijaznov G.M., Kaplan V.B., Martsinovsky A.M., Serbin Y.I., Yurjev V.G. Thermionic inverter II IAEA Thermionic Converter Specialist Meeting: Eindhoven, 1975. P. 177.

2. Luck J.R., El-Genk M.S. Langmuir probe measurements of discharge parameters in Cs-Ba tasitron // J. Appl. Phys. 1996. - V.79. - № 11. - P. 82478252.

3. Каплан В.Б., Макаров А.Н., Марциновский A.M., Новиков А.Б., Сербии В.И., Юрьев В.Г. Низковольтный высокотемпературный ключевой элемент нового типа для преобразования постоянного токав переменный. Часть II // ЖТФ. 1977. - Т. 47. - № 2. - С.285-296.

4. Kaplan V.B., Martsinovski A.M., Rasulov F.N., Yuriev V.G. Kinetik negative grid pulse influense upon discharge plasma. // J. de Physique. C7. -Suppl. au n° 7. 1979. - V. 40. - P. 495-496.

5. Кайбышев В.З., Кузин Г. А. Кинетика гашения низковольтной дуги в сеточном ключевом элементе // Термоэмиссионный метод преобразования тепловой энергии в электрическую. 1975. - Т. 45. - № 2. - с. 320-327.

6. Каплан В.Б., Марциновский A.M., Мустафаев А.С., Ситнов В.И., Эндер А .Я., Юрьев В.Г. Особенности самостоятельного обрыва тока сильноточного разряда низкого давления в смеси цезия и бария. ЖТФ // 1979. -Т. 49. № 3. - С. 567-572.

7. Бакшт Ф.Г., Костин A.A., Марциновский A.M., Юрьев В.Г. Разогрев плазмы электронным пучком и особенности механизма ионизации в кнудсеновской дуге // Письма в ЖТФ. 1979. - Т. 5. - № 15. - с. 905-911.

8. Бакшт Ф.Г., Богданов А.А., Каплан В.Б., Костин А.А., Марциновский A.M., Юрбев В.Г. Нагрев плазмы электронным пучком и особенности механизма ионизации в нестационарной кнудсеновской дуге // ФП. 1980. -Т. 7. - № 3. - с 547-560.

9. Бакшт Ф.Г., Колосов Б.И., Костин А.А. Математическое моделирование процессов в низковольтном плазменно-пучковом разряде. М.: 1990. - 136 с.

10. Марциновский A.M., Свешникова Н.Н., Юрьев В.Г. Критерии эфффективности гашения в сеточном ключевом элементе // Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую / М., 1984. с. 56-58.

11. Алексеев Н.И. Физические исследования плазменных ключевых элементов на высокие модулируемые напряжения. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. физ.-мат. наук. СПб., 1997. - 128 с.

12. Бакшт Ф.Г., Костин А.А., Марциновский A.M., Свешникова Н.Н., Юрьев В.Г. Аномалии в функции распределения тепловых электронов и в величине скорости ионизации в нестационарной кнудсеновской дуге // Письма в ЖТФ. 1981. - Т. 7. - № 20. - с. 1271-1276.

13. 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.

14. Psarouthakis J. Thermionic energy conversion with mixted vapours // 1st Int. Conf. on Thermionic Electrical Power Generation: Proc. London, 1965. - P. 1-7.

15. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / Под ред. Б.Я. Мойжеса и Г.Е. Пикуса. Наука, 1973. - 480 с.

16. Базанов В.Г., Баньковский Н.Г., Мультановская О.М. Термоэлектронная эмиссия вольфрама в потоках атомов бария и цезия // ФТТ. 1968. -Т. 10.-№2- С. 507-512.

17. Кайбышев В.З., Кузин Г.А., Мельников М.В. О возможности использования термоэмиссионного преобразователя для управления током в электрических цепях // ЖТФ. 1972. - Т. 42. - № 6. - С.1265-1269.

18. Каплан В.Б., Марциновский A.M., Мустафаев А.С., Сербии В.И., Ситнов В.И., Эндер А.Я., Юрьев В.Г. Импульсное управление током сильноточного низковольтного разряда на смеси цезия и бария // ЖТФ. 1977. -Т. 47. - № 10. - С. 2068-2078.

19. Alekseev N.I., Kaplan V.B., Martsinovsky A.M. The grid emission influence on plasma switch operation // Anniversary Specialist Conference on Nuclear Power Engineering in Space: Proc. conf. may, 1990. Obninsk, 1990. - P. 50-51.

20. Nuss H. Bestimmung der Plasmaparameter der Niedervoltsbogens in Edelgasen. 1971. Diss. Stuttgart., 1971. - 96 S.

21. Леб. Л. Основные процессы электрических разрядов в газах: Пер. с англ. Под ред. Н.А.Капцова. - М.-Л.: ГТТЛ, 1950. - 672 с.

22. McLennan J.С., Henderson J.P. Ionization Potentials of Mercury, Cadmium and Zinc, and the Singl- and Many-lined Spectra of these Elements // Proc. Roy. Soc. Ser. A. 1915. - V. 91. - № A632. - P. 485-491.

23. Каминский M. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла: Пер. с англ. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича. - М.: Мир, 1967. -506 с.

24. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Ред. Р. Бериш Вып. 1. М.: Мир, 1984. - 336 с.

25. 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.

26. Каплан В.Б., Марциновский A.M., Циркель Б.И., Юрьев В.Г. Исследование начального периода развития низковольтной дуги в парах цезия//ЖТФ. 1971. - Т. 41. - № 7. - С. 1436-1442.

27. Каган Ю.М., Перель В.И. Зондовые методы исследования плазмы // УФН. 1963. - Т. 81. - № 3. - С. 409-452.

28. Дюжев Г. А. Зондовые исследования плазмы в термоэмиссионных преобразователях. Дисс. на соискание уч. степ. канд. физ.-мат. наук. JL: 1967. - 163 с.

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

30. Laframboise J.G. Theory of spherical and cylindrical Langmuir probes in a collisionless maxellian plasma at rest // Univers. of Toronto, report 100. -Toronto, 1966. P. 67.

31. Meiners D., Weiss C.D. Continuous emission of argon, krypton and xenon plasmas // JQSRT. 1976. - V. 16. - № 3. - P. 273-280.

32. Касьянов В.А., Старостин A.H. К теории тормозного излучения медленных электронов на атомах // ЖЭТФ. 1965. - Т. 48. - № 1. - С. 295302.

33. Мс Lennan J.C., Henderson J.P. Ionization Potentials of Mercury, Cadmium and Zinc, and the Single- and Many-lines Spectrum of these Elemtnts. Proc. Roy. Soc. A. 1915. V. 91. № .P. 485- .

34. Hebb T.C. The single lined and the many-lined spectrum of Mercury // Phys. Rev. 1917. - V. 9. - № 5. - P. 371-377.

35. Hebb T.C. The Ionization potential of mercury vapour and the pro-ducting of the complete spectrum of the elements // Phys. Rev. 1918. - V. 11. - № 3.-P. 170-179.

36. Compton K.T., Lilly E.G., Olmslead P.S. The minimum arcing voltage in Helium // Phys. Rev. 1920. - У. 16. - № 4. - P. 282-289.

37. Druyvesteyn M.J. Der Niedervoltbogen // Z. fur Physik. 1930. - B. 64. -H. 11-12.-S. 781-798.

38. Бакшт Ф.Г., Костин A.A., Марциновский A.M., Юрьев В.Г. Разогрев плазмы пучком и особенности механизма ионизации в кнудсеновской дуге // Письма в ЖТФ. 1979. - Т. 5. - № 15. С. - 905-910.

39. Дюжев Г.А., Мойжес Б.Я., Старцев Е.А. Юрьев В.Г. Низковольтная дуга в парах цезия при малых давлениях // ЖТФ. 1971. - Т. 41. - № 11. -С. 2393-2405.

40. Johnson Е.О., Olmstead J., Webster W.M. The tacitron a low noise thyratron capable of current interruption by grid action // Proc. of the IRE. -1954. V. 42. - № 9. - P. 1350-1362

41. Hull A.W., Langmuir I. Control of an arc discharge by means of a grid // Proc. Nat. Acad. Sc. 1929. - V. 15. - № 3. - P.218-225.

42. Ludi F. Therie der Loschgitterstenerung in Gasentladungen // Helv. Phys. Acta. 1936. - B. 9. - № 8. - S. 655-677.

43. Fetz H. Uber die Beeinflussung eines Quecksilber vakuumbogens mit einem Steuergitter in Plasma // Ann. der Physik. 1940. - Bd. 37. - H. 1. - S. 1-40.

44. Каганов И.Л. Ионные приборы. M.: Энергия, 1972. 526 с.

45. Зайцев И. А. Зондовые измерения разряда в импульсных таситро-нах // Электронная техника. Сер. 3. ГРП. 1969. - № 3 (15). - С. 33-34.

46. Стефановская Е.М., Федоринов В.П. Индиевый затвор большого проходного сечения // Труды Л ПИ. Физическая электроника. 1977. - № 356.- С. 311-312.

47. Способ измерения давления инертных газов: А. с. 1326925 СССР МКИ G 01 L 21/32 / Н.Г. Баньковский и В.К. Шигалев (СССР). 2 е.: ил.

48. Бакшт Ф.Г., В.В.Иванов В.Г. Особенности механизма ионизации в низковольтной дуге в инертных газах // ЖТФ. 1978. - Т.48. -№ 4.- С. 688699.

49. Бакшт Ф.Г., Иванов В.Г. Теория низковольтной дуги в ксеноне // ЖТФ. 1980. - Т. 50, № 3. - С. 471-480.

50. Martin R.J., Rowe J.T. Experimental investigation of the low-voltage arc in noble gases //J. Appl. Phys. 1968. - V. 39. - № 91. - P. 4289- 4298.

51. Способ стабилизации напряжения: А. с. 1185429 СССР МКИ Н 01 J 17/38 / А.С. Мустафаев, А.П. Мезенцев, В.Я. Симонов, Н.Н. Ковалев, В.Б. Каплан, A.M. Марциновский, В.Г. Юрьев, В.И. Сербии, Н.Г. Баньковский, В.К. Шигалев (СССР). 4 е.: ил.

52. Шигалев В.К. Об интерпретации зондовых вольт-амперных характеристик // Труды ЛПИ. Физические аспекты методов контроля и управления свойствами поверхности твердого тела. 1989. - № 429. - С. 97100.

53. Schlüter D. Die Emissions Kontinua thermischer Edelgas-plasmen // Z. Phys. 1968. - Bd. 210. - H. 1. - S. 80-91.

54. Johnson E.O., Olmstead J., Webster W.M. The tacitron, a low noise thyratron capable of current interruption by grid action // Proc. of IRE. 1954. -Y. 42.-№9. -P. 1350-1362.

55. Bogdanov A.A., Kaplan Y.B., Martsinovsky A.M., Yur'yev V.G. Plasma formation kinetic of Knudsen arc ingition // 15-th Int. Conf. on Phenom. in Ioniz. Gases: Proc. / J. de Physique, 1979, v. 40, suppl. № 7, p. G 7337.

56. Бакшт Ф.Г., Котин A.A., Марциновский A.M., Юрьев В.Г. Разогрев плазмы электронным пучком и особенности механизма ионизации в кнудсеновской дуге // Письма в ЖТФ. 1979. - Т. 5. - № 15. - С. 905-910.

57. Цытович В.Н. Нелинейные эффекты в плазме. М.: "Наука", 1967.287 с.

58. Дюжев Г.А., Мойжес Б.Я., Немчинский В.А., Старцев Е.А., Школьник С.М., Юрьев В.Г. К вопросу релаксации катодного пучка в низкотемпературной плазме // ЖТФ. 1971. - Т.41. - № 11. - С. 2406-2411.

59. Агапов A.B., Бакшт Ф.Г., Колосов Б.И., Костин A.A., Пронина Т.О. Квазилинейная релаксация при сильном столкновительном затухании ленгмюровских волн // Письма в ЖТФ. 1983. - Т. 9. - № 10. - С. 583-586.

60. Бакшт Ф.Г., Каплан В.Б., Костин A.A., Марциновский A.M., Ра-сулов Ф.Н., Свешникова H.H., Сербии В.И., Юрьев В.Г. Исследование стационарного проводящего состояния сеточного ключевого элемента // ЖТФ. 1978. - Т. 48. - № 11. - С. 2273-2294.

61. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, Глав. ред. физ.-мат. лит., 1966. - 564 с.

62. Дюбуа Б.Ч., Попов Б.Н. Некоторые эмиссионные и адсорбционные свойства систем барий-титан и барий-вольфрам // Вопросы радиоэлектроники. Серия 1. Электроника. 1960. - № 9. - С. 96-111.

63. Дудник JI. А. Сравнительная оценка антиэмиссионных покрытий, применяемых в электровакуумной промышленности // Вопросы радиоэлектроники. Серия 1. Электроника. 1960. - № 2. - С. 125-129.

64. Дюбуа Б.Ч. Применение циркония как антиэмиссионного материала // Вопросы радиоэлектроники. Серия 1. Электроника. 1960. - № 12. -С. 61-65.

65. Винк М.В. Новые антиэмиссионные и чернящие покрытия деталей электровакуумных приборов // Вопросы радиоэлектроники. Серия 1. Электроника. -1960. № 2. - С.62-71.

66. Чэмпион Дж. А. Антиэмиссионные свойства сеток из титана. Сб. пер. "Эффективные термокатоды". Вып. 3. М.-Л. Госэнергоиздат, 1961. -294 с.

67. Дюбуа Б.Ч., Мельников А.И., Новикова Т.М., Степанов Л.А. Применение антиэмиссионных материалов с целью увеличения стабильности работы катодного узла // Вопросы радиоэлектроники. Серия !. Электроника. 1963. - № 9. - С. 103-114.

68. Лебедев С.Я., Стависский Ю.Я. К вопросу о влиянии энергии адсорбции ионов цезия на поверхности металла // ЖТФ. 1963. - Т. 33. - № 12. -С. 1474-1477.

69. Дюбуа Б.Ч., Ермолаев Л.А. Антиэмиссионные и антидинатронные материалы. (Обзор) // Вопросы радиоэлектроники. Сер.1. Электроника. -1964.-№ 12.-С. 170-183.

70. Дюбуа Б.Ч., Новикова Т.М., Степанов Л.А. Применение тугоплавких металлоподобных соединений в качестве антиэмиссионных покрытий для стабилизации работы катодного узла // Вопросы радиоэлектроники. Сирия !. Электроника. 1965. - № 3. - С. 162-172.

71. Rasor N.S., Warner С. Correlation of emission processes for adsorbed alkali films on metal surfaces // J. of Appl. Phys. 1964. - V.35. - № 9.- P. 2589 -2600.

72. Еремеев M.A., Нешпор B.C., Новиков А.Б., Стефановская E.M., Федоринов В.П. Термоэмиссионные свойства нитридов циркония, гафния и титана в парах цезия // ЖТФ. 1974. - Т. 44. - № 10. - С. 2159-2167.

73. Еремеев М.А., Нешпор B.C., Новиков А.Б., Скалецкая H.A., Сте-фановская Е.М., Федорииов В.П. Влияние вакансий в металлоидной под-решетке нитрида циркония на его термоэмиссионные свойства в парах цезия // ЖТФ. 1977. - Т.47. - № 9. - С. 1957-1964.

74. Еремеев М.А., Скороваров В.П., Сефановская Е.М., Федоринов В.П. Термоэмиссионые свойства окиси иттрия в парах цезия // Труды ЛПИ. Физическая электроника. 1977. - № 356. - С. 72-75.

75. Еремеев М.А., Стефановская Е.М., Федоринов В.П. Термоэмиссионные свойства иттрия и скандия в вакууме и парах цезия // Труды ЛПИ. Физическая электроника. 1977. - № 356. - С. 70-72.

76. Wehner G.K. General Mills Research Departement. Minneapolis 13. Minesota. Ann. Rep. № 2136. 1960.

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

78. Келли К.К., Кинг Дж. Термодинамические свойства гафния и его соединений. В сб.: Металлургия гафния. Под ред. Д.Е. Темаса и Е.Т. Хейса. М.: Металлургия, 1967. - 287 с.

79. Металлургия циркония и гафния / Н.В. Барышников, В.Э Гегер, Н.Д. Денисова и др.; Под ред. Нахамкина Л.Г. М.: Металлургия, 1979. -173 с.

80. Шека И.А., Карлышева К.Ф. Химия гафния. Киев: Наукова думка, 1972. - 116 с.

81. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968.343 с.

82. Formen R. Theory of space-charge-limited emission in high pressure gas diodes // J. Appl. Phys. 1963. - Y. 34. - № 9. - P. 2578 - 2581.