Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди
Рассмотрена эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде от начала самостоятельного существования до ее "гибели", связанной со взрывом металла под действием собственных паров. Подъем температуры металла в поверхностном слое происходит под действием бомбардировки...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2004 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80389 |
| 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: | Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди / В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 121-123. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80389 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Павлов, В.С. 2015-04-17T16:07:40Z 2015-04-17T16:07:40Z 2004 Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди / В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 121-123. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80389 537.525.5 Рассмотрена эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде от начала самостоятельного существования до ее "гибели", связанной со взрывом металла под действием собственных паров. Подъем температуры металла в поверхностном слое происходит под действием бомбардировки собственными ионами. Мелкие капли (до 1 мкм) образуются при взрыве ячейки. Розглянута еволюція розрядного осередку при вакуумно-дуговому розряді на мідному катоді від початку самостійного існування до "загибелі" осередку, зв'язаної з вибухом металу в осередку під дією власного пару. Ріст температури металу в поверхневому шарі осередку відбувається під дією бомбардування власними іонами. Дрібні краплі (до 1 мкм) створюються при загибелі осередку. In the article examinated the evolution of the discharge cell at a vacuum arc discharge on the copper cathode from a beginning of self-maintaned existence before "destruction" of a cell, bound with exploein metal in it under on operation proprietary vapours. The temperature climb of metal in surface layer of a cell happens under on operation of bombardment by proprietary ions. The small drops (to 1 mcm) formating under in the "destruction" of a cell. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди Еволюція розрядного осередку при вакуумно-дуговому розряді на міді The evolution of the discharge cell of a vacuum-arc discharge on copper Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди |
| spellingShingle |
Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди Павлов, В.С. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| title_short |
Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди |
| title_full |
Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди |
| title_fullStr |
Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди |
| title_full_unstemmed |
Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди |
| title_sort |
эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди |
| author |
Павлов, В.С. |
| author_facet |
Павлов, В.С. |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| publishDate |
2004 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Еволюція розрядного осередку при вакуумно-дуговому розряді на міді The evolution of the discharge cell of a vacuum-arc discharge on copper |
| description |
Рассмотрена эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде от начала самостоятельного существования до ее "гибели", связанной со взрывом металла под действием собственных паров. Подъем температуры металла в поверхностном слое происходит под действием бомбардировки собственными ионами. Мелкие капли
(до 1 мкм) образуются при взрыве ячейки.
Розглянута еволюція розрядного осередку при вакуумно-дуговому розряді на мідному катоді від початку
самостійного існування до "загибелі" осередку, зв'язаної з вибухом металу в осередку під дією власного пару. Ріст
температури металу в поверхневому шарі осередку відбувається під дією бомбардування власними іонами. Дрібні
краплі (до 1 мкм) створюються при загибелі осередку.
In the article examinated the evolution of the discharge cell at a vacuum arc discharge on the copper cathode from a beginning of self-maintaned existence before "destruction" of a cell, bound with exploein metal in it under on operation proprietary
vapours. The temperature climb of metal in surface layer of a cell happens under on operation of bombardment by proprietary
ions. The small drops (to 1 mcm) formating under in the "destruction" of a cell.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80389 |
| citation_txt |
Эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на меди / В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 121-123. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT pavlovvs évolûciârazrâdnoiâčeikiprivakuumnodugovomrazrâdenamedi AT pavlovvs evolûcíârozrâdnogooseredkuprivakuumnodugovomurozrâdínamídí AT pavlovvs theevolutionofthedischargecellofavacuumarcdischargeoncopper |
| first_indexed |
2025-11-27T08:20:54Z |
| last_indexed |
2025-11-27T08:20:54Z |
| _version_ |
1850805587156140032 |
| fulltext |
УДК 537.525.5
ЭВОЛЮЦИЯ РАЗРЯДНОЙ ЯЧЕЙКИ
ПРИ ВАКУУМНО-ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ НА МЕДИ
В.С. Павлов
ННЦ "Харьковский физико-технический институт", г. Харьков, Украина
Рассмотрена эволюция разрядной ячейки при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде от начала самостоятель-
ного существования до ее "гибели", связанной со взрывом металла под действием собственных паров. Подъем темпера-
туры металла в поверхностном слое происходит под действием бомбардировки собственными ионами. Мелкие капли
(до 1 мкм) образуются при взрыве ячейки.
Ранее было показано, что для самостоятельного
существования разрядной ячейки необходим поло-
жительный баланс энергии в ней [1]. Было также по-
казано, что катодное пятно при вакуумно-дуговом
разряде на металлах нельзя отождествлять с разряд-
ной ячейкой. Катодное пятно включает в себя мно-
жество ячеек, количество которых можно приблизи-
тельно определить, разделив ток дуги на двойное
значение порогового тока для данного металла, при
котором разрядная ячейка может существовать
самостоятельно. Пороговые токи для различных ме-
таллов приведены в работе [2].
Рассмотрим эволюцию разрядной ячейки на при-
мере меди, т.е. процессы, происходящие в разряд-
ной ячейке с момента ее самостоятельного суще-
ствования до гибели – прекращения разряда в этом
месте.
Температуру поверхностного слоя жидкого ме-
талла в ячейке, поток испаряющихся атомов, поток
ионов на поверхность и их давление, давление паров
меди в поверхностных слоях и изменение этих пара-
метров определим исходя из условия положительно-
го баланса энергии (энергетических потерь и по-
ступлений) в ячейке при плотности тока 1·107 и 2·107
А⋅см-2
∆W=W++Wj–Wc–Wo–We >0. (1)
Здесь W+ – поступление энергии в разрядную
ячейку в результате бомбардировки поверхности ме-
талла в ней ионами; Wj – поступление энергии в
ячейку вследствие Джоулева тепла; Wc – потеря
энергии разрядной ячейкой в результате теплопро-
водности в окружающую область металла; Wo – по-
теря энергии из-за испарения нейтральных атомов с
поверхности жидкого металла в разрядной ячейке;
We – потеря энергии в результате эмиссии электро-
нов с поверхности ячейки.
Методика расчета указанных величин энергии
приведена нами ранее [1].
Радиационные потери за время существования
разрядной ячейки малы, и они не учитываются.
Полученные результаты приведены в таблице, из
которой видно, что плотность тока 2·107 А/см-2 обес-
печивает положительный баланс энергии в
0,25·107вт⋅см-2.
Энергетические показатели в разрядной ячейке
при различных плотностях тока
Параметры
функционирования
разрядной ячейки
j, A см-2
1·107 2·107
rяч104, см 2,26 1,6
ϕо, см-2с-1 2,7·1024 5,5·1024
ϕ, см-2с-1 5,4·1024 1,1·1025
Тяч,К 4170 4530
Wc, вт·см-2 4,2·107 4,6·107
Wo, вт·см-2 1,3·106 2,6·106
We, вт·см-2 2,3·107 4,6·107
Wt, вт·см-2 4,76·107 9,52·107
Wj, вт·см-2 4,5·105 1,8·106
∆W=Wt+Wj+Wc+Wo+We -1,8·107 0,25·107
Температуру поверхности расплавленного метал-
ла в разрядной ячейке найдем из уравнения [3].
T
T 16980lg5,061,30lg −−=ϕ (2)
Здесь ϕ – количество атомов, испаряющихся с по-
верхности ячейки.
Значение величины ϕ получим, учитывая тот
факт, что ионный ток на поверхность разрядной
ячейки составляет ∼8% от плотности общего тока [4
]:
eg
jf2=ϕ (3)
Здесь e – заряд электрона в кулонах; g – средний
заряд иона меди, равный 1,83; j – плотность тока;
f – доля ионного тока в общей плотности тока.
Полученные значения величины ϕ и Т приведе-
ны в таблице.
Процесс функционирования разрядной ячейки с
момента ее самостоятельного существования можно
представить себе следующим образом. С поверхно-
сти расплавленного металла испаряется поток ней-
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. 121
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с.121-123.
тральных атомов (ϕ), температура жидкого металла
в поверхностных слоях ячейки равна 4530 К. Тепло-
вая ионизация нейтральных атомов мала и ею мож-
но пренебречь. Поток электронов и нейтральных
атомов, пройдя длину свободного пробега, достига-
ет области, где происходит ионизация нейтральных
атомов. Исходя из изотропного распределения
ионов, в зоне ионизации половина из них под дей-
ствием прикатодного бугра потенциала ускоряется к
катоду, вторая половина – к аноду [5]. Если принять
среднюю ширину зоны ионизации 5·10-3 см [5], ско-
рость нейтральных атомов 1·106 см⋅с-1, а скорость
ионов 1,6·106 см⋅с-1 [6], тогда время от испарения
нейтральных атомов с поверхности металла в раз-
рядной ячейке до возвращения половины из них в
ионизованном состоянии на ту же поверхность бу-
дет ∼ 4·10-9 с.
Ионы, бомбардирующие поверхность жидкой
меди в ячейке, оказывают на нее давление:
P=Fj, (4)
где
eg
fmvF
2
= . (5)
Здесь F – сила давления, приходящаяся на единицу
силы тока; j – плотность тока; m – масса иона меди;
ν – скорость иона. Остальные величины приведены
ранее.
Для плотности тока 2·107А⋅см-2 мы имеем давле-
ние ионного тока над поверхностью жидкой меди в
разрядной ячейке 3,3·105 тор.
Давление пара меди при температуре 4530 К
можно определить из уравнения [3]:
Т
Pтор
1698096,8lg −= (6)
Мы имеем давление пара меди 1,59·105 тор. Та-
ким образом, давление пара меди меньше давления
бомбардирующих ионов, поэтому металл в разряд-
ной ячейке не закипает. Однако под воздействием
бомбардирующих ионов в пределах положительного
баланса энергии происходит нагрев поверхностного
слоя металла в разрядной ячейке.
Определим из уравнения (6) температуру по-
верхностного слоя меди в разрядной ячейке, давле-
ние пара в котором было бы ≥ 3,3·10+5 тор. Получа-
ем, что при температуре 4985 К давление пара меди
будет 3,5·105 тор.
Как уже отмечалось ранее, для устойчивого су-
ществования разрядной ячейки на медном катоде
необходим пороговый ток, т.е. 1,6А. Учитывая ве-
личину плотности тока (2·107А⋅см-2), необходимую
для создания положительного баланса энергии в
разрядной ячейке, мы получаем ее радиус 1,6·10-4см.
Если принять время существования разрядной ячей-
ки за 1·10-8с [6], тогда взаимодействие ионов с по-
верхностью металла будет осуществляться в течение
6·10-9 с. С помощью
TmCW ∆⋅⋅=∆ (7)
найдем толщину нагреваемого поверхностного слоя
меди в разрядной ячейке. Здесь ∆W – положитель-
ный баланс энергии, приходящийся на поверхность
ячейки за время 6⋅ 10-9с; С – удельная теплоемкость
меди; m – масса нагреваемого приповерхностного
слоя меди; ∆Т – разница температур в слое после
ионной бомбардировки и до нее.
Вычисления показывают, что положительного
баланса энергии (0,25·107вт⋅см-2⋅с-1) хватает для на-
грева поверхностного слоя меди в разрядной ячейке
до температуры 4985 К и этот слой имеет толщину
1·10-5см.
Таким образом, после нагрева давление пара
меди в поверхностном слое и давление потока ионов
на поверхность разрядной ячейки выравниваются, и
медь в поверхностном слое вскипает.
При этом на поверхности жидкого металла появ-
ляются всплески, которые могут вполне ассоцииро-
ваться с эктонами, которые дают высокую плот-
ность электронов [7]. Разряд в этом месте катода
прекращается.
В этом случае направленное испарение меди пре-
кращается, и, следовательно, резко падает давление
ионного потока. В таком случае уже весь объем раз-
рядной ячейки в результате давления собственных
паров "взрывается". Поэтому можно предположить,
что металл в разрядной ячейке разбрызгивается под
давлением ∼1,59·105тор. Скорость выбрасывания об-
разующихся мелких капель (<1·10-4 см) можно оце-
нить из уравнения [6]
ρ
PV 2= . (8)
Здесь Р – давление пара меди; ρ – плотность меди.
Получаемое значение скорости ∼0,7·104 см⋅с-1
удовлетворительно согласуются с литературными
данными [6].
Таким образом, разрядные ячейки при вакуумно-
дуговом распылении металлов могут формировать
только мелкие капли. Проблема образования круп-
ных капель и причина их выброса из катодного пят-
на преимущественно под углом ∼30о к поверхности
катода требует дальнейших исследований.
ВЫВОДЫ
Предложен механизм образования мелких капель
в разрядной ячейке при вакуумно-дуговом распыле-
нии металлов, заключающихся во взрыве жидкого
металла в ячейке под действием собственных паров.
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. 122
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с.121-123.
ЛИТЕРАТУРА
1.В.С. Павлов. О механизме образования крупных
капель при вакуумно-дуговом распылении металлов
//Труды XV Международной конференции по физике
радиационных явлений и радиационному материало-
ведению. Алушта, Крым. 2002, с. 314.
2.И.Г. Кесаев. Катодные процессы электрической
дуги. М.: «Наука», 1968, с. 116.
3.С. Дешман. Научные основы вакуумной техники.
М.: «Мир», 1964.
4.Л. Харрис. Катодные процессы //Сб. Вакуумные
дуги (теория и приложения). М.: «Мир», 1982,
с. 153.
5.А.А. Плютто, В.М. Рыжков, А.Т. Каним. Высоко-
скоростные потоки плазмы вакуумных дуг //ЖЭТФ.
1964, т. 47, № 8, с. 494.
6.G. W.Mc Clure. Plasma expansion as a couse of met-
al displacement in Vacuum-arc cathode Safs
//J. Appl. Phys. 1974, v. 45, N 5, p. 2078.
7.Е.А. Литвинов, Г.А. Месяц, Д.И. Проскуровский.
Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы
//УФН. 1983, т. 139, № 2, с. 265.
ЕВОЛЮЦІЯ РОЗРЯДНОГО ОСЕРЕДКУ ПРИ ВАКУУМНО-ДУГОВОМУ РОЗРЯДІ НА МІДІ
В.С. Павлов
Розглянута еволюція розрядного осередку при вакуумно-дуговому розряді на мідному катоді від початку
самостійного існування до "загибелі" осередку, зв'язаної з вибухом металу в осередку під дією власного пару. Ріст
температури металу в поверхневому шарі осередку відбувається під дією бомбардування власними іонами. Дрібні
краплі (до 1 мкм) створюються при загибелі осередку.
THE EVOLUTION OF THE DISCHARGE CELL OF A VACUUM-ARC DISCHARGE ON COPPER
V.S. Pavlov
In the article examinated the evolution of the discharge cell at a vacuum arc discharge on the copper cathode from a begin-
ning of self-maintaned existence before "destruction" of a cell, bound with exploein metal in it under on operation proprietary
vapours. The temperature climb of metal in surface layer of a cell happens under on operation of bombardment by proprietary
ions. The small drops (to 1 mcm) formating under in the "destruction" of a cell.
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. 123
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с.121-123.
В.С. Павлов
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
В.С. Павлов
V.S. Pavlov
|