Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек
The results of studies of the time of retardation tr of the ignition of a high-voltage glow discharge on the operation of low-vacuum gas-discharge electronic guns (LGEG) with a hollow anode in the pulse mode are given. It is shown that the time tr consists of the statistical time of retardation ts a...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6244 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек / В.А. Тутык // Доп. НАН України. — 2008. — № 11. — С. 86-91. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859474931233849344 |
|---|---|
| author | Тутык, В.А. |
| author_facet | Тутык, В.А. |
| citation_txt | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек / В.А. Тутык // Доп. НАН України. — 2008. — № 11. — С. 86-91. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The results of studies of the time of retardation tr of the ignition of a high-voltage glow discharge on the operation of low-vacuum gas-discharge electronic guns (LGEG) with a hollow anode in the pulse mode are given. It is shown that the time tr consists of the statistical time of retardation ts and the time of formation tf . Dependences of the time tr on various parameters are found. The method of using the time of retardation to increase the working pressure of LGEG by a diminution of the steepness of their volt-ampere characteristics S = ΔI/ΔU is offered and experimentally confirmed at the high-voltage pulse length tp < tr.
|
| first_indexed | 2025-11-24T11:37:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
роорганiзмiв. Цi порiвняння пiдтверджують також статус рiвняння (7) як визначального
рiвняння напруженого стану у довiльних градiєнтних течiях розведеної суспензiї вiрусiв
у водi. Отже, рiвняння (7)–(9) можуть бути математичною моделлю реологiчного вивче-
ння вiрусiв замiсть моделi Саiто–Шерага [2, 3] при використаннi вiскозиметрiв з рiзною
геометрiєю течiї у їх робочiй зонi.
1. Yang J.T. Non-Newtonian viscosity and flow birefrigence in dilute suspension of rigid particles: tobacco
mosaic virus // J. Amer. Chem. Soc. – 1961. – 83. – P. 1316–1324.
2. Saito N. The effect of the Brownian motion on the viscosity of solution of macromolecules. I. Ellipsoid of
revolution // J. Phys. Soc. Japan. – 1951. – 6. – P. 296–302.
3. Sheraga H.A. Non-Newtonian viscosity of solutions of ellipsoidal particle // J. Chem. Phys. – 1951. – 23. –
P. 1526–1532.
4. Таран Е.Ю. Структурно-феноменологическая реология разбавленных суспензий: Дис. . . . д-ра
физ.-мат. наук: 01.02.05. – Харьков, 1994. – 346 с.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. – Москва: Гостехиздат, 1954. – 795 с.
6. Jeffery G. B. The motion of ellipsoidal particles immersed in a viscous fluid // Proc. Roy. Soc. – 1922. –
A102. – P. 161–169.
7. Peterlin A. Über die Viskosität von verdünnten Lösungen und Suspensionen in Abhängigkeit von der
Teilchenform // Z. Physik. – 1938. – 19. – S. 289–306.
8. Einstein A. Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen // Ann. Physik. – 1906. – 19. – S. 289–306.
Надiйшло до редакцiї 02.04.2008Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
УДК 537.533
© 2008
В.А. Тутык
Исследование явления запаздывания зажигания
высоковольтного тлеющего разряда для повышения
рабочего давления газоразрядных электронных пушек
(Представлено академиком НАН Украины М.И. Гасиком)
The results of studies of the time of retardation tr of the ignition of a high-voltage glow discharge
on the operation of low-vacuum gas-discharge electronic guns (LGEG) with a hollow anode
in the pulse mode are given. It is shown that the time tr consists of the statistical time of
retardation ts and the time of formation tf . Dependences of the time tr on various parameters
are found. The method of using the time of retardation to increase the working pressure of
LGEG by a diminution of the steepness of their volt-ampere characteristics S = ∆I/∆U is
offered and experimentally confirmed at the high-voltage pulse length tp < tr.
Электронные пушки эффективно преобразовывают электрическую энергию в другие виды
энергии: тепловую, радиационную и микроволновую, позволяя получать на поверхности
материалов высокие удельные мощности 108–1011 Вт/м2 [1, 2]. Эти свойства электронных
пушек открыли возможность использования их в различных электронно-лучевых техноло-
гиях (ЭЛТ) в высоком вакууме для решения многих технических задач [1–5]. В последнее
86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №11
десятилетие ЭЛТ начинают использовать в среднем и низком вакууме для получения по-
крытий в среде реакционного газа, выращивания кристаллов, накачки лазеров, модифика-
ции поверхности и ряда других. При этом получение электронных пучков осуществляется
в высоком вакууме, а их использование — в низком [1, 3–5, 7]. Существующие электронные
пушки работают при давлениях до 10 Па и не позволяют реализовывать ЭЛТ в среднем
и низком вакууме без использования специальных устройств вывода электронных пучков
в технологическую камеру [1, 3]. Однако эти устройства усложняют используемое оборудо-
вание, увеличивают его вес, стоимость и энергопотребление. Это ограничивает применение
электронных пучков в низковакуумных технологиях и приводит к проблеме создания низ-
ковакуумных электронных пушек. Решение ее открывает возможность реализации целого
направления низковакуумных ЭЛТ и является актуальным. Перспективным направлением
решения проблемы является создание низковакуумных газоразрядных электронных пушек
(НГЭП) на основе высоковольтного тлеющего разряда (ВТР) для работы в диапазоне давле-
ний 10–1000 Па [6–9]. Импульсный режим работы НГЭП, как показывают исследования [8],
имеет свои специфические особенности, которые предлагается использовать для решения
поставленной проблемы.
Целью работы является установление новых закономерностей при работе НГЭП на осно-
ве ВТР в импульсном режиме и использование их для повышения рабочего давления.
Методы. Исследования проводились на вакуумной установке с применением НГЭП ти-
па ЭГП-6 [8, 9]. Газоразрядная электронная пушка на основе ВТР имела плоский холодный
алюминиевый катод диаметром dк = 10−2 м, межэлектродное расстояние — Lак = 2·10−3 м,
диаметр анодного отверстия — dа = 8 · 10−3 м. Применялась схема и методика измерений
характеристик НГЭП в импульсном режиме, описанная ранее в [8, 11].
Исследования проводились в импульсном режиме с использованием тиристорного, высо-
ковольтного, импульсного генератора (ВИГ). Длительность импульса напряжения — 1 мкс,
5 мкс, 10 мкс, 20 мкс и задавалась сменой LC линии, частота следования — 100 Гц. Была
предусмотрена моноимпульсная работа ВИГ. Измерение высоковольтного импульса напря-
жения и тока производилось осциллографическим методом. Сигнал снимался с безындук-
тивных сопротивлений на двуканальный осциллограф типа Tektronix TDS 210 с выходом
на принтер. На катод пушки через балластное сопротивление Rб подавался высоковоль-
тный импульс напряжения отрицательной полярности. Анодный узел пушки был зазем-
лен через мало индуктивный коаксиальный шунт, служащий для измерения тока разря-
да. В заанодном пространстве электронный пучок попадал в коллектор. Через иллюмина-
тор, расположенный на боковой стенке вакуумной камеры, с помощью фотоэлектронного
умножителя ФЭУ-29 измерялись параметры ЭП при его движении к коллектору. Энерге-
тические параметры ЭП и пушки измерялись с использованием калориметрического уст-
ройства [9].
Результаты исследований и их обсуждение. Повышение давления (P2 > P1) при
работе НГЭП приводит к росту тока ∆I при постоянном изменении ускоряющего напря-
жения ∆U = const и к возрастанию крутизны S = ∆I/∆U вольт-амперных характеристик
(ВАХ) пушки (рис. 1), так как с увеличением давления S2 = ∆I2/∆U > S1 = ∆I1/∆U . По-
этому проблема повышения рабочего давления НГЭП может быть решена путем снижения
крутизны S ВАХ с увеличением давления P за счет уменьшения или ограничения тока ∆I
при напряжении U = const высоковольтного источника питания.
При экспериментальном исследовании НГЭП в импульсном режиме обнаружено нали-
чие времени запаздывания импульса тока после подачи импульса напряжения. Измерение
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №11 87
Рис. 1. ВАХ для газоразрядной электронной пушки с полым анодом на основе высоковольтного тлеющего
разряда при различных давлениях
времени запаздывания tз производилось по осциллограммам импульсов напряжения U и то-
ка I на уровне импульса напряжения Uиз = 0,707Umax.
Теоретический анализ результатов исследований показал, что время запаздывания tз =
= tс+tф включает две составляющие: статистическое время запаздывания tс импульса тока
после подачи импульса напряжения и время формирования tф импульса тока до установив-
шегося значения.
Время запаздывания tс в НГЭП рассчитывалось по следующей формуле:
tс = Φ−1υ−1
e =
{
1 −
{
γ
[
exp
( x0
∫
0
αdx
)]}
−1}−1
[
t−1 ln
(
K
k
)]
−1
≈
≈ [1 − {1 + [γа(exp(ηаUа) − 1) − γз(exp(ηзUз) − 1)]}−1]−1
[
t−1 ln
(
K
k
)]
−1
, (1)
где Φ — вероятность зажигания ВТР; υe = t−1 ln(K/k) — скорость образования первичных
электронов; α — коэффициент объемной ионизации электронов; γ — коэффициент вто-
ричной ионно-электронной эмиссии материала; γа и γз — соответственно коэффициенты
вторичной ионно-электронной эмиссии для анодного напряжения Uа и напряжения зажи-
гания Uз; ηа — коэффициент ионизации электронами при анодном напряжении Uа; ηз — ко-
эффициент ионизации электронами при напряжении зажигания Uз; X — расстояние, прой-
денное электроном; t — время начала зажигания ВТР; K — общее число испытаний; k —
число испытаний, когда вероятность появления tс > t равна k/K. За x0 = (1/α) ln(1 + 1/γ)
принималось минимальное расстояние от катода по осевой линии, где выполняется условие
зажигания ВТР и будет располагаться виртуальный анод.
Для оценки зависимости tс от ускоряющего напряжения Uа использовалась полученная
из выражения (1) функция
tс = tс0 exp
[
−A
(
Uа
Uз
− 1
)]
, (2)
где tс0 — статистическое время запаздывания при Uа = Uз; A — постоянная, зависящая от
геометрических размеров и формы электродов НГЭП. Численное значение постоянной для
исследуемой электронной пушки составляло A = 0,239.
Проводились экспериментальные исследования влияния давления и рода газа на статис-
тическое время запаздывания tс зажигания ВТР. На рис. 2 построены экспериментальные
88 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №11
Рис. 2. Зависимости времени запаздывания tс от давления и рода газа (tи = 20 мкс; Uа = 15 кВ; (т) —
теретическая и (э) — экспериментальные зависимости tс = f(P ))
кривые изменения времени tс для НГЭП в диапазоне давлений 20–150 Па в гелии и в возду-
хе. Амплитуда импульса напряжения поддерживалась постоянной и составляла Uа = 15 кВ.
Экспериментально было подтверждено наличие статистического времени запаздывания tс
в НГЭП. В диапазоне давлений 20–150 Па для гелия величина tс изменялась в диапазоне
2,8–1,2 мкс, а для воздуха — 1,9–0,3 мкс. Уменьшение статистического времени запаздыва-
ния наблюдалось при увеличении давления P , ускоряющего напряжения Uа и массы моле-
кул рабочего газа. Это связано с ростом α при Uа = const, что приводит к увеличению Φ
и υe, а, согласно (1), и к уменьшению tс. Теоретически рассчитанная зависимость tс = f(P )
для условий эксперимента (кривая “гелий (т)” на рис. 2) удовлетворительно совпадает с эк-
спериментальной кривой (“гелий (э)”).
Снижение tс может быть достигнуто путем увеличения скорости образования первич-
ных электронов υe за счет: конструкции пушки, выбора рабочего газа или использования
внешнего ионизатора.
Для применения существующей теории расчета времени формирования tф разряда [9, 10]
к НГЭП предложено вводить в расчеты виртуальный анод, располагающийся на расстоя-
нии x0.
Общий ток катода i(t) в момент времени t после подачи напряжения Uа определяется
выражением
i(t) = i0 + γ[exp(ηiUа) − 1]i(t − τi) = i0 + (G + 1)i(t − τi), (3)
где i0 — ток первичных электронов, выходящих из катода; ηi — коэффициент ионизации;
τi — среднее время движения положительного иона от анода к катоду; G = γ[exp(ηiUа) −
− 1] − 1.
Для времени t ≫ τi общий электронный ток из катода равен
i(t) ≈ i0 + (G + 1)
[
i(t) −
di(t)
dt
τi
]
⇒
i(t)
∫
i0
di(t)
i0 + Gi(t)
=
t
∫
0
dt
(1 + G)τi
⇒
⇒ ln
[
i0 + Gi(t)
(1 + G)i0
]
=
G
G + 1
t
τi
. (4)
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №11 89
Рис. 3. Зависимости времени формирования tф от напряжения Uа и давления P гелия, где Pт — теоретически
рассчитанные кривые, а Pз — экспериментально измеренные кривые при tи = 20 мкс
Рис. 4. Метод повышения рабочего давления НГЭП, основанный на уменьшении амплитуды импульса тока
(I2max ≪ I1 max) при работе с длительностью импульса ускоряющего напряжения tи2 < tс + tф
Период времени, необходимый для нарастания тока разряда от i0 до iN , обозначим через
tф и из (4) находим выражение, описывающее это время:
tф =
τi
G
ln
(
1 + G
iN
i0
)
. (5)
С применением этой теории было рассчитано время формирования разряда tф для
HГЭП, работающей в гелии для диапазона ускоряющих напряжений от 10–100 кВ (рис. 3).
Результаты расчетов показывают, что повышение ускоряющего напряжения Uа приводит
к снижению времени формирования tф ВТР.
Экспериментально измеренные зависимости времени формирования tф от ускоряющего
напряжения Uа при различных давлениях гелия P для длительности импульса tи = 20 мкс
приведены на рис. 4. Время формирования рассчитывалось по осциллограммам импульса
тока. Оно соответствовало времени, в течение которого изменение тока происходило в ди-
апазоне (0,1–0,9)Iа амплитудного значения импульса тока.
Экспериментальные измерения показали следующее. Увеличение времени формирова-
ния tф наблюдается при уменьшении Uа и γ, а также при росте давления P .
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №11
Исследование существования времени запаздывания tз = tс + tф при работе НГЭП,
обоснованное теоретически и подтвержденное экспериментально, открывает направление
повышения рабочего давления электронных пушек этого типа, основанное на снижении
крутизны S = ∆I/∆U ВАХ путем работы при длительностях импульса ускоряющего напря-
жения tи < tс+tф. Так, при работе НГЭП в режиме с длительностью импульса напряжения
tи = 5 мкс, меньшей, чем время запаздывания разряда tз = 8,4 мкс при P = 390 Па в гелии
удавалось снизить более чем на порядок амплитудное значение тока. Полученное экспери-
ментально ограничение амплитудного значения импульсного тока при работе ЭГП очевидно
связано с тем, что ВТР за указанный промежуток времени не успел сформироваться.
В заключение отметим основные результаты работы.
1. При работе газоразрядных электронных пушек с полым анодом и холодным катодом
наблюдается время запаздывания зажигания ВТР tз = tс+tф, состоящее из статистического
времени запаздывания tс и времени формирования tф. Область значений tз для рассмотрен-
ных условий находится в диапазоне 10−8–10−4 с. Она зависит от величины ускоряющего
напряжения, давления и рода газа, конструктивных параметров электронной пушки и ря-
да других. Приведенные методы расчета времен tс и tф позволяют определять и управлять
их значением при конструировании НГЭП.
2. Предложен и экспериментально обоснован метод повышения рабочего давления НГЭП
за счет снижения крутизны S = ∆I/∆U ВАХ с ростом давления путем работы с длитель-
ностями импульса ускоряющего напряжения tи < tс + tф, меньше суммы статистического
времени и времени формирования тока разряда.
Работа выполнена под научным руководством акад. НАН Украины М.И. Гасика.
1. Миллер З., Гайзиг У., Панцер З. Электронно-лучевая технология / Пер. с нем. – Москва: Энергия,
1980. – 528 с.
2. Патон Б. Е., Тригуб М.П., Козлятин Д.А. и др. Электронно-лучевая плавка. – Киев: Наук. думка,
1997. – 265 с.
3. Мощные электронные пушки для электронно-лучевой технологии и системы питания к ним: Сб.
статей. Тр. ВЭИ. Вып. 80. – Москва: Энергия, 1970. – 272 с.
4. Новиков А.А. Источники электронов высоковольтного тлеющего разряда с анодной плазмой. – Моск-
ва: Энергоатомиздат, 1983. – 96 с.
5. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. – Ленинград: Энергия,
1972. – 274 с.
6. Ульянов К.Н. Теория высоковольтного тлеющего разряда // Теплофизика выс. температур. – 1978. –
16, № 6. – С. 1121–1129.
7. Ruzhin Yu.Ya., Oraevsky V.N., Tutyk V.A. The active experiments in the stratosphere with the electron
beams injection // Adv. Space Res. – 1993. – 13, No 10. – P. 122–124.
8. Тутык В.А. Импульсный режим работы электронных газоразрядных пушек с полым анодом //
Системные технологии. – 2003. – Вып. 3(26). – С. 151–160.
9. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. – Москва; Ленинград: Гостехиздат, 1952. – 432 с.
10. Acton J. R., Swift J. D. Cold cathode discharge tubes. – New York: Acad. Press, 1963. – 489 p.
11. Тутык В.А., Гасик М.И. Энергетические параметры газоразрядных электронных пушек, используе-
мых для оплавления поверхности изделий // Электрометаллургия. – 2007. – № 10. – С. 24–30.
Поступило в редакцию 31.03.2008Национальная металлургическая
академия Украины, Днепропетровск
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №11 91
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6244 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T11:37:23Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Тутык, В.А. 2010-02-22T12:15:39Z 2010-02-22T12:15:39Z 2008 Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек / В.А. Тутык // Доп. НАН України. — 2008. — № 11. — С. 86-91. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6244 537.533 The results of studies of the time of retardation tr of the ignition of a high-voltage glow discharge on the operation of low-vacuum gas-discharge electronic guns (LGEG) with a hollow anode in the pulse mode are given. It is shown that the time tr consists of the statistical time of retardation ts and the time of formation tf . Dependences of the time tr on various parameters are found. The method of using the time of retardation to increase the working pressure of LGEG by a diminution of the steepness of their volt-ampere characteristics S = ΔI/ΔU is offered and experimentally confirmed at the high-voltage pulse length tp < tr. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Фізика Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек Тутык, В.А. Фізика |
| title | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек |
| title_full | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек |
| title_fullStr | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек |
| title_full_unstemmed | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек |
| title_short | Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек |
| title_sort | исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек |
| topic | Фізика |
| topic_facet | Фізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6244 |
| work_keys_str_mv | AT tutykva issledovanieâvleniâzapazdyvaniâzažiganiâvysokovolʹtnogotleûŝegorazrâdadlâpovyšeniârabočegodavleniâgazorazrâdnyhélektronnyhpušek |