Исследование сильноточного разряда низкого давления с полым катодом в условиях генерации жесткого ультрафиолетового излучения

Предметом исследований настоящей работы является так называемый псевдоискровой разряд применительно к проблеме генерации жесткого ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн (11 — 13) нм. Сам термин «псевдоискровой разряд» и «псевдоискровые разрядники» («pseudospark switches») был введен в работах [1−3], и сейчас этот термин получил распространение особенно в зарубежных публикациях [4−5]. На самом деле, термин «псевдоискровой» скорее применим к системе электродов разрядника и к самому разряднику. Как будет видно из дальнейшего рассмотрения псевдоискровой разряд это, по сути, импульсный сильноточный разряд низкого давления с полым катодом, а иногда и полым анодом.

Разрядник такого типа представляет собой коммутирующий прибор с холодным катодом на основе газового разряда низкого давления в системе полых электродов. Эти приборы рассматриваются как альтернатива по отношению к тиратронам, игнитронам и другим разрядникам в условиях, где требуется крутой т фронт нарастания тока (до 10 А/с) и малый разброс по временам запаздывания пробоя. Наряду с параметрами, доступными для обычных импульсных водородных тиратронов, данные разрядники позволяют коммутировать экстремально высокие токи (на уровне 100 кА) при малых габаритах прибора и высокой крутизне нарастания импульса.

Во многом условия работы разрядника и конструкция сходны с тиратроном. В типичных схемах включения разрядников анод находится под высоким потенциалом, а катод заземлен. Внутри катодной полости располагается узел запуска. Поэтому прибор можно назвать тиратроном с заземленной сеткой. Однако в отличие от тиратрона ток разряда замыкается не на накаленный, а на холодный катод.

Внешне разрядник представляет собой диэлектрический цилиндр высотой (10 — 20) см и диаметром (3−15) см. Электроды разрядника размещаются внутри диэлектрического цилиндра, а их контакты выведены наружу цилиндрического стакана в виде фланцев. Обычно катод и анод разрядника выполнены в виде полостей, сообщающихся между собой посредством одного, а чаще нескольких отверстий. За счет большого количества отверстий достигаются умеренные плотности тока через каждое из отверстий, за счет чего эрозия электродов значительно снижается. Диаметры отверстий сопоставимы с длиной основного зазора, и составляют несколько миллиметров. Вообще, геометрия электродов может быть довольно разнообразной. Типичное давление газа в разрядниках р = (Ю-1 — Ю-3) Тор. В качестве рабочего газа обычно используется водород, гелий, азот, воздух.

В настоящее время существует большое количество прототипов разрядников различной конструкции и с различными методами запуска [1, 4, 5, 7−9]. Большинство исследователей имеют дело разборными экспериментальными устройствами. Однако имеются впечатляющие результаты как в разработке металлокерамических изоляторов и узлов запуска с высоким ресурсом работы применительно к конструированию отпаянных приборов [6, 10−16], так и в исследовании процессов при коммутации сильноточных импульсов в геометрии полых электродов в типичных условиях псевдоискровых разрядников [4, 17−33].

Идея использования геометрии электродов псевдоискрового разрядника в качестве источника излучения в окрестности длин волн 13,5 нм впервые возникла в конце девяностых годов в группе исследователей из Технического университета г. Аахена (Германия) [34, 35]. В данных работах было показано, что при энергии, запасенной в накопительной емкости около 1 Дж, при разряде в ксеноне из области плазмы, расположенной на оси разряда в основном межэлектродиом промежутке диаметром около 500 мкм, регистрируется жесткое ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн от 10 до 18 нм. В экспериментах использовался разрядник с одним осевым отверстием, за счет чего плотность тока через отверстие была столь высока, что стало возможным появление одиннадцатикратных ионов ксенона. Полученный результат дал начало направлению исследований разряда и разработке источников жесткого УФ излучения в геометрии псевдоискрового разрядника.

Следует отметить, что источники излучения на основе псевдоискрового разрядника не произвели революцию в получении жесткого ультрафиолета. Однако принцип работы источника отличается как от установок на основе 'классических пинчей, так и от работы разрядников в качес1ве коммутирующих приборов. В частности, любой разрядник является прибором, предназначенным для коммутации тока и потери мощности в нем должны быть минимальными. И наоборот, в приборе, предназначенном для генерации излучения, должны быть обеспечены условия, при которых вклад энергии в плазму разряда максимален.

Кроме того, использование псевдоискрового разрядника в качестве источника жесткого УФ излучения имеет ряд других особенностей, нехарактерных для разрядников. Например, в типичных схемах включения псевдоискровых разрядников катод прибора заземлен, а анод находится под высоким потенциалом. В источнике жесткого УФ излучения анод предназначен для размещения различных средств диагностики и собирающей оптики, вследствие чего должен быть заземлен. Тогда узел запуска должен располагаться в полости катода под высоким потенциалом.

С другой стороны, для удовлетворения требований, предъявленных к источникам жесткого УФ излучения применительно к фотолитографии [36, 37], типичная частота следования импульсов в источнике па основе псевдоискрового разрядника должна составлять несколько десятков килогерц [38]. Однако, уже при частоте более 1 кГц для разряда в ксеноне авторы работ [39, 40] столкнулись с проблемой стабильной работы источника излучения. Напряжение пробоя основного разрядного промежутка снижалось существенным образом. Авторы связывают это с тем, что после пробоя плазма к приходу последующего импульса не успевает рекомбинировать. Тогда последующий импульс приходит не на «пустой» разрядный промежуток, а на промежуток, в котором присутствует плазма, и последующий пробой происходит при напряжении ниже пробивного. То есть к моменту прихода последующего импульса разрядный промежуток не успевает восстановить электрическую прочность.

Данный эффект хорошо известен для любых импульсных газоразрядных устройств, работающих в режиме высокой частоты следования импульсов [41]. Хотя в некоторых публикациях приведены технические решения для подавления эффекта как применительно к источникам жесткого УФ излучения, так и к псевдоискровым разрядникам [1, 7, 41−43], процесс восстановления электрической прочности основного разрядного промежутка остается не выясненным до конца.

В псевдоискровом разряднике имеет место ряд явлений, крайне нежелательных для источника жесткого УФ излучения. Например, пучок электронов, распространяющийся вдоль оси на начальной стадии развития разряда, может повредить диагностическую аппаратуру. Также в разрядниках имеет место явление срыва тока разряда, которое проявляется при больших скоростях нарастания тока. Исходя из общих соображений, срыв тока должен сопровождаться генерацией пучка электронов с высокой энергией в направлении от катода к аноду. В разрядниках явление срыва тока приводит к оплавлению апода, но принципиально не нарушает работу прибора. В источнике излучения этот фактор может препятствовать работе системы вывода излучения и его необходимо устранять.

В настоящее время в различных экспериментальных группах достигнуты определенные результаты по созданию излучающих установок [44, 45]. Тем не менеене имеется общепринятых механизмов для интерпретации многообразных разрядных явлений и природы возникновения излучающей плазменной области в условиях псевдоискрового разряда при умеренной энергии, запасаемой в накопителе (на уровне до 10 Дж).

Наиболее распространенный подход при интерпретации причины возникновения излучающей области в псевдоискровом разряде основан на концепции магнитной компрессии плазмы газового разряда, развитой ранее для Z-пинчeй с экстремально высокой энергией [40, 46−49]. В некоторых экспериментах авторами наблюдался срыв тока и генерация излучения при быстром приближении к максимуму тока. По их мнению, физическим обоснованием нагрева плазмы является термализация кинетической энергии сжимаемого столба плазмы на оси разряда, а причиной срыва тока и соответствующего подъема напряжения на промежутке является резкое увеличение эффективного сопротивления зазора, обусловленное индуктивным падением напряжения вдоль узкого сжатого канала.

Между тем в литературе существует другой подход к объяснению явления срыва тока в псевдоискровых разрядниках [17, 50, 51]. Срыв тока объясняется резким уменьшением проводимости столба разряда. В основе этого подхода лежит модель, описывающая механизм переноса тока на различных временных стадиях разряда. Модель основывается на предположении, что основным компонентом тока на катоде является ток ионов. Несмотря на наглядность модели и возможность проводить оценки некоторых параметров катодного слоя, описание перехода от стадии плотного к стадии сверхплотного тлеющего разряда носит качественный характер. Остается открытым вопрос о распределении областей разряда на стадии сверхплотного тлеющего разряда. Модель требует дополнительных исследований, необходимых для более полного описания процессов в разряде и механизма перехода из одной стадии в другую.

Таким образом, в источнике жесткого УФ излучения на основе псевдоискрового разряда имеются не только технические трудности в достижении требуемой частоты следования импульсов, но также проблемы фундаментального характера. В связи с этим исследование разряда в источнике жесткого УФ излучения на основе системы электродов псевдоискрового разрядника является актуальным.

Цель работы: Исследование процессов в сильноточном импульсном разряде низкого давления с полым катодом в режимах типичных для генерации жесткого УФ излучения в диапазоне длин волн (10 — 20) нм.

Из общей цели вытекают основные задачи диссертационной работы:

1. Провести исследования структуры пучков электронов на различных временных стадиях разряда и явления срыва тока разряда.

2. Развить имеющиеся модели переноса тока в псевдоискровом разряде на различных стадиях, включая стадии формирования пучка электронов и срыва тока разряда.

3. Выявить причину возникновения излучающей области. Исследовать влияние магнитного сжатия столба плазмы на процесс формирования излучающей области.

4. Разработать и испытать методы повышения напряжения пробоя основного разрядного промежутка в режиме высокой частоты следования импульсов и дать физическое обоснование этим методам.

Методы исследования. При решении поставленных задач основным методом является эксперимент и интерпретация полученных экспериментальных данных на основе теоретического анализа с привлечением методов численного моделирования.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается проведением измерений на современной аппаратуре с использованием апробированных методик, согласием экспериментальных результатов и теоретических оценок.

Научная новизна.

1. В системах с внешним инициированием разряда при переходе к стадии сверхплотного тлеющего разряда зарегистрирован пучок электронов, распространяющийся вдоль оси от катода к аноду, и дана интерпретация механизма возникновения пучка.

2. Разработана уточненная модель, описывающая механизмы переноса тока в различных стадиях псевдоискрового разряда. В основе модели лежат представления о наличии двойного слоя между плазмой в катодном отверстии и в основном промежутке. Модель позволяет объяснить причину срыва тока, и причины переходов между различными временными стадиями разряда.

3. Предложен метод исследования процесса рекомбинации плазмы в основном промежутке и в катодной полости на основе измерения тока несамостоятельного разряда в паузе между импульсами и получены соответствующие результаты по распаду плазмы в системах с блокирующими электродами.

4. Показано, что на всех стадиях развития разряда резистивное падение напряжения на промежутке соизмеримо с индуктивным падением либо превышает его. Резистивное падение определяется главным образом напряжением на катодном слое и на двойном слое на выходе из катодного отверстия.

5. Показано, что уже на ранних стадиях развития разряда плазма в катодном отверстии и в основном промежутке является полностью ионизованной. Переход к полностью ионизованной плазме для условий генерации жесткого УФ излучения, происходит при уровне тока разряда около 1 кА.

Научио-практическан ценность.

1. Предложенные методы повышения напряжения пробоя основного промежутка и исследования процесса рекомбинации позволяют оценить максимально возможную частоту следования импульсов, при которой пробой, промежутка будет проходить при напряжениях выше статического пробивного.

2. Показано, что моделирование динамики разряда для оптимизации источника излучения должно осуществляться с учетом геометрии разрядного промежутка, сопротивления столба разряда и сопротивления катодного и двойного слоев.

3. Показано, что двойной слой, образующийся между плазмой в катодном отверстии и плазмой в основном промежутке на стадии формирования разряда, продолжает существовать и в других стадиях разряда. Данный факт вносит определяющий вклад в механизм переноса тока в псевдоискровом разряде.

Апробация результатов. Материалы работы доложены на следующих конференциях:

14th International Conference on High Power Particle Beams and 5th International.

Conference on Dense Z-pinches (Albuquerque, New Mexico, 2002);

XX!h International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.

Tours, France, 2002);

6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and.

Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2002);

International Conference on Microand Nanoelectronics — 2003 (Moscow.

Zvenigorod, 2003);

International Conference On Physics of Low Temperature Plasma (Kyiv, Ukraine, 2003);

26th International Power Modulator Symposium and 2004 High Voltage Workshop (San Francisco, USA, 2004);

Всероссийская конференция по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, Россия, 2004);

7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2004);

13th International Symposium on High Current Electronics (Tomsk, Russia, 2004) — XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Yalta, Crimea, 2004);

XXVIIth International Conference on Phenomena in Ionized Gases (Eindhoven, the Netherland, 2005);

XXHntl International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Matsue, Japan, 2006);

3-я Всероссийская Конференция Молодых Ученых (Томск, Россия, 2006);

15th International Symposium on High Current Electronics (Tomsk, Russia, 2008);

4-я всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, Технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, Россия, 2009). Основные результаты работы опубликованы в 25 печатных работах [141, 142,.

144−146, 153−166, 175−180], включая статьи в рецензируемых журналах [142, 146, 160, 162].

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем составляет 184 страниц, включая 63 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 180 наименований.

Выводы к Гпаве 5.

1. Предложен метод повышения пробивного напряжения основного промежутка для случая, когда катод находится под высоким потенциалом, а анод заземлен. Метод основан на принудительном извлечении заряженных частиц па дополнительный (блокирующий) электрод посредством несамостоятельного разряда между катодом и блокирующим электродом. Оригинальность метода состоит в том, что повышение напряжения может осуществляться без использования дополнительного источника питания. Показано, что работа электрической цепи в режиме комбинации автоблокировки с внешней блокировкой является более эффективной с точки зрения повышения напряжения пробоя по сравнению с режимом автоблокировки. Данный метод также позволяет увеличить частоту следования импульсов, при которой пробой происходит при напряжениях больше либо равных напряжению статического пробоя.

2. Напряжение на блокирующем электроде имеет некоторое пороговое значение, выше которого эффект повышения напряжения пробоя пропадает. Это связано с тем, что, с ростом потенциала блокирующего электрода, ток блокировки становится настолько большим, что начинает способствовать зажиганию разряда в основном промежутке. При потенциале блокирующего электрода более 200 В возможно зажигание самостоятельного тлеющего разряда между блокирующим электродом и анодом.

3. Предложен метод исследования процесса восстановления электрической прочности основного промежутка. Метод основан на измерении тока несамостоятельного разряда между блокирующим электродом и катодом совместно с измерением потенциала блокирующего электроде и катода в паузе между импульсами. Показано, что с ростом тока несамостоятельного разряда время восстановления электрической прочности основного промежутка уменьшается.

4. В системе с блокирующим электродом имеются режимы, когда плазма в основном промежутке и катодной полости полностью исчезает, и обеспечивается полный обрыв тока несамостоятельного разряда в паузе между импульсами. Именно эти режимы позволяют достичь максимальных частот повторения импульсов.

5. Время восстановления электрической прочности зависит от сорта рабочего газа. Для разряда в ксеноне время восстановления лежит в пределах (700 — 1500) мкс, в то время как для разряда в кислороде /г ~ 100 мкс. Добавление 25% кислорода в ксенон позволяет уменьшить время восстановления до 200 мкс.

6. Измерение времени восстановления позволяет оценить максимальную частоту следования импульсов, при которой пробой будет происходить при напряжении выше напряжения статического пробоя. Для разряда в ксеноне максимально 2 возможная частота следования импульсов при давлении р = 4−10 Тор составляет.

2,2 кГц. Для разряда в кислороде максимально возможная частота составляет 10 2 кГц при давлении р = 9−10 Тор.

7. Увеличение основной накопительной емкости с 1 нФ до 35 нФ и, как следствие, увеличение тока разряда в основном промежутке с 0,5 до 4 кА не оказывает влияние на время восстановления для разряда в ксеноне. Для разряда в кислороде и в смеси ксенон-кислород время восстановления электрической прочности увеличивается до 350 мкс.

Заключение

.

В настоящей работе проведено исследование динамики псевдоискрового разряда в источнике жесткого УФ излучения с пространственным и временным разрешением.

Наиболее значимыми являются следующие результаты:

1. Экспериментально показано, что на предпробойной стадии происходит формирование двойного электрического слоя между плазмой в катодном отверстии и плазмой в основном промежутке. Этот слой продолжает существовать в течение стадий плотного и сверхплотного тлеющего разряда.

2. Развитие псевдоискрового разряда в условиях, близких к условиям генерации жесткого УФ излучения, сопровождается генерацией трех пиков пучка электронов. Первый пик появляется в процессе формирования разряда в основном промежутке. Второй пик появляется при переходе к стадии сверхплотного тлеющего разряда. Третий пик появляется в процессе срыва тока разряда.

3. Представлена модель, позволяющая объяснить механизмы переноса тока на различных стадиях разряда. Модель предполагает, что катодная и анодная плазмы отделены друг от друга двойным электрическим слоем. За счет цилиндрической геометрии катода и немонотонного распределения потенциала в основном промежутке, плазмы представляют собой потенциальные ловушки для электронов. Ввод мощности в плазму в основном промежутке осуществляется плазменными электронами из катодной плазмы, ускоренными падением напряжения на двойном электрическом слое.

4. Модель позволяет объяснить переход от разряда с классической у эмиссией (стадия плотного тлеющего разряда) к разряду со взрывоэмиссионными процессами на катоде (стадия сверхплотного тлеющего разряда). Показано, что модель согласуется с экспериментом.

5. Предложен механизм срыва тока разряда. Срыв тока разряда происходит вследствие разрушения структуры потенциальной ловушки в основном промежутке, когда отрицательный потенциальный барьер вблизи анода исчезает. В результате длина двойного электрического слоя увеличивается, что ведет к росту омического компонента сопротивления промежутка. Падение напряжения как на двойном, так и на катодном слое увеличивается. Как следствие реализуются условия, когда в направлении анода распространяется пучок электронов высокой энергии, ускоренный в двойном слое. Резкое снижение тока разряда является «откликом» электрической цепи на резкое увеличение сопротивления разрядного промежутка.

6. На ранних стадиях развития разряда плазма в катодном отверстии и в основном промежутке является полностью ионизованной. Переход к полностью ионизованной плазме для условий генерации жесткого УФ излучения, происходит при уровне тока разряда / ~ 1 кА.

7. Модель сжатия тонкой оболочки не может быть использована для описания динамики разряда в основном промежутке. Модель имеет противоречия и расхождения с экспериментом. Наблюдаемый в эксперименте выброс напряжения горения на стадии генерации жесткого УФ излучения не может быть обусловлен падением напряжения за счет изменения индуктивности сжимаемого канала.

8. Формирование излучающей области на стадии генерации жесткого УФ излучения происходит вследствие контракции разряда. В результате ввод мощности в плазму в основном промежутке на оси системы становится более эффективным, что способствует формированию излучающей области. Возрастающее напряжение горения разряда прикладывается к двойному и катодному слоям. За счет того, что плазма уже на ранних стадиях становится столкновительной, рост напряжения горения разряда также осуществляется за счет падения напряжения вдоль столба разряда.

9. Предложен метод повышения пробивного напряжения для случая, когда катод находится под высоким потенциалом, а анод заземлен. Метод основан на принудительном извлечении заряженных частиц на дополнительный (блокирующий) электрод в паузе между импульсами посредством несамостоятельного разряда между катодом и блокирующим электродом. Показано, что работа электрической цепи в режиме комбинации автоблокировки с внешней блокировкой является более эффективной с точки зрения повышения напряжения пробоя по сравнению с режимом автоблокировки.

10. Предложен метод исследования процесса восстановления электрической прочности основного промежутка. Метод основан на измерении тока несамостоятельного разряда между блокирующим электродом и катодом совместно с измерением потенциала блокирующего электроде и катода в паузе между импульсами. Данный метод позволяет оценить максимально возможную частоту следования импульсов, при которой пробой основного промежутка будет происходить при напряжениях выше статического пробивного.

11. В системе с блокирующим электродом имеются режимы, когда плазма в основном промежутке и катодной полости полностью исчезает, и обеспечивается полный обрыв тока несамостоятельного разряда в паузе между импульсами. Именно эти режимы позволяют достичь максимальных частот повторения импульсов.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Ю. Д.

Королеву. Автор также считает своим долгом поблагодарить А. В. Шишлова (ИСЭ.

СО РАН) за плодотворное обсуждение проблемы моделирования динамики лайнеров.