О движении катодного пятна вакуумной дуги
Рассматривается распределение токов в окрестностях ячейки катодного пятна − эктона. Предполагается, что электроны из эмиссионного центра, обладающие энергией, недостаточной для преодоления потенциального барьера между боковой поверхностью плазменной струи и катодом , движутся по циклоидам у катода,...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2000 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2000
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81612 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О движении катодного пятна вакуумной дуги / А.А. Андреев // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 63-66. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81612 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Андреев, А.А. 2015-05-18T12:47:45Z 2015-05-18T12:47:45Z 2000 О движении катодного пятна вакуумной дуги / А.А. Андреев // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 63-66. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81612 533.9 Рассматривается распределение токов в окрестностях ячейки катодного пятна − эктона. Предполагается, что электроны из эмиссионного центра, обладающие энергией, недостаточной для преодоления потенциального барьера между боковой поверхностью плазменной струи и катодом , движутся по циклоидам у катода, а затем уходят к аноду. Тем самым, в окрестностях эктона создается поверхностная плазма и условия для возникновения новых эктонов. С этой точки зрения объясняется движение катодного пятна во внешнем магнитном поле. Автор выражает благодарность И.И.Аксенову, Н.С.Ломино и В.И.Карасю за полезные советы при обсуждении статьи и внимание к работе. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Газовый рaзряд, ППР и их применения О движении катодного пятна вакуумной дуги Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О движении катодного пятна вакуумной дуги |
| spellingShingle |
О движении катодного пятна вакуумной дуги Андреев, А.А. Газовый рaзряд, ППР и их применения |
| title_short |
О движении катодного пятна вакуумной дуги |
| title_full |
О движении катодного пятна вакуумной дуги |
| title_fullStr |
О движении катодного пятна вакуумной дуги |
| title_full_unstemmed |
О движении катодного пятна вакуумной дуги |
| title_sort |
о движении катодного пятна вакуумной дуги |
| author |
Андреев, А.А. |
| author_facet |
Андреев, А.А. |
| topic |
Газовый рaзряд, ППР и их применения |
| topic_facet |
Газовый рaзряд, ППР и их применения |
| publishDate |
2000 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| description |
Рассматривается распределение токов в окрестностях ячейки катодного пятна − эктона. Предполагается, что электроны из эмиссионного центра, обладающие энергией, недостаточной для преодоления потенциального барьера между боковой поверхностью плазменной струи и катодом , движутся по циклоидам у катода, а затем уходят к аноду. Тем самым, в окрестностях эктона создается поверхностная плазма и условия для возникновения новых эктонов. С этой точки зрения объясняется движение катодного пятна во внешнем магнитном поле.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81612 |
| citation_txt |
О движении катодного пятна вакуумной дуги / А.А. Андреев // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 63-66. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT andreevaa odviženiikatodnogopâtnavakuumnoidugi |
| first_indexed |
2025-11-27T08:21:17Z |
| last_indexed |
2025-11-27T08:21:17Z |
| _version_ |
1850805604758585344 |
| fulltext |
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ 2000. №1.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2), с. 63-66.
63
УДК 533.9
О ДВИЖЕНИИ КАТОДНОГО ПЯТНА ВАКУУМНОЙ ДУГИ
А.А. Андреев
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Украина, 61108, г.Харьков, ул.Академическая,1, e-mail:pavlenko@kipt.kharkov.ua
Рассматривается распределение токов в окрестностях ячейки катодного пятна − эктона.
Предполагается, что электроны из эмиссионного центра, обладающие энергией, недоста-
точной для преодоления потенциального барьера между боковой поверхностью плазмен-
ной струи и катодом , движутся по циклоидам у катода, а затем уходят к аноду. Тем са-
мым, в окрестностях эктона создается поверхностная плазма и условия для возникнове-
ния новых эктонов. С этой точки зрения объясняется движение катодного пятна во внеш-
нем магнитном поле
1.Введение
В настоящей работе рассматривается распре-
деление токов в области катодного пятна вакуумной
дуги, согласно которому делается попытка объяснить
его поведение на поверхности катода, в том числе
при воздействии внешних магнитных полей.
Изучению катодного пятна посвящены фун-
даментальные труды [1-4] и многие публикации в
научных журналах, однако до сих пор не существует
общепринятого объяснения его некоторых свойств,
например, такого явления, как обратное движение в
тангенциальном магнитном поле [1].
2.Свойства катодного пятна.
Остановимся кратко на известных свойствах
катодного пятна, которые в дальнейшем будут иметь
отношение к рассматриваемым вопросам.
Катодное пятно состоит из нескольких эмис-
сионных центров, названных ячейками [1], фрагмен-
тами катодного пятна [5] или эктонами [3].
Эктон представляет собой лавину электронов
за счет микровзрывов, вызванных перегревом ло-
кальных участков катода. Об эктоне можно говорить,
как о термоэмиссионном процессе, усиленном элек-
трическим полем [6]. Время существования эктона
составляет менее 10-9с, плотность тока более
108 А/см2. Диаметр эмиссионного центра эктона (су-
дя по диаметру кратеров) составляет около 1 мкм [6].
В эктоне ток электронов из эмиссионного
центра разделяется на две компоненты: ток на анод и
обратный ток быстрых тепловых электронов (из «хво-
ста» максвелловского распределения) на катод. Об-
ратный ток образует в окрестностях эктона кольцевые
(тороидальные) структуры [7].
Ускорение и увеличение кратности заряда
ионов происходит в пределах расстояния 10-3 см от
катода. На этом расстоянии прекращаются реакции в
плазме и ее состав не меняется. Вблизи катода темпе-
ратура электронов не превышает 5 эВ [6].
Движение катодного пятна осуществляется
при токах, превышающих некоторые пороговые зна-
чения, за счет угасания (гибели) одних эктонов и од-
новременного возникновения новых. В высоком ва-
кууме и на очищенных поверхностях новые эктоны
возникают в непосредственной близости от прежнего
эмиссионного центра, практически у края кратеров.
При низком вакууме и загрязненной поверхности ка-
тода новые эктоны могут возникать на расстояниях до
100 мкм от прежних [3, 6, 7]. Вокруг вновь образо-
вавшегося эктона возникают новые и катодное пятно
в виде группы эктонов может перемещаться со скоро-
стью до 1.104 см/с [3].
В случае существенного превышения тока
дуги над пороговым на катоде могут существовать
одновременно несколько катодных пятен. При сбли-
жении они активно отталкиваются друг от друга, но
на большой поверхности катода держатся на вполне
определенных расстояниях.
При отсутствии внешних магнитных полей
обычно катодное пятно совершает беспорядочные
перемещения по катоду. Если на протяженном катоде
источник тока дуги подключен в одном месте, катод-
ное пятно всегда стремится к месту токоподвода.
При наличии на катоде тангенциального маг-
нитного поля катодное пятно движется перпендику-
лярно его направлению в сторону, противоположную
предписываемой правилом Ампера [1]. При этом ка-
тодное пятно реагирует даже на небольшие поля (по-
рядка единиц эрстед). При малых магнитных полях
катодное пятно отклоняется от основного направле-
ния ("рыскает"), но с увеличением поля путь его дви-
жения становится более выпрямленным.
3.Распределение токов в окрестностях
эктона
Магнитное поле, создаваемое током из эмис-
сионного центра может быть оценено из формулы
зависимости для поля линейного проводника с током.
64
В окрестностях эктона будет существовать
тангенциальное магнитное поле Нэ, созданное током
эмиссионного центра Iэ, состоящим из кольцевого
тока Iк и тока I1, достигшего анода. Оно составляет
около 16 тысяч эрстед. Примем его толщину ориен-
тировочно 10-3 см. Радиус кольцевых токов быстрых
электронов в таком поле (с энергией ~ 5 эВ) будет
менее 5.10-4 см.
Таким образом, в окрестностях эктона у по-
верхности катода существуют скрещенные ЕхН поля,
в которых электроны движутся в радиальных от
эмиссионного центра направлениях по циклоидам,
высота которых равна [11]
h
mc E
eH
=
2 2
2
Высота циклоид близка к диаметрам лармо-
ровских окружностей электронов
r
mvс
eH
=
Магнитное поле Н1, созданное током I1=Іэ-Ік,
удерживает кольцевые токи в радиальных направле-
ниях. Электроны, обладающие энергией, недостаточ-
ной для преодоления потенциального барьера, откло-
няются магнитным полем Нэ к катоду, отражаются от
его поверхности и движутся в радиальных направле-
ниях от центра к периферии по циклоидам (рис.1),
образуя токи І3. Вследствие этого плазма над эктоном
обедняется электронами, что способствует появлению
бугра потенциала над ним [10].
Величина тока I2, протекающего по катоду у
его поверхности к эмиссионному центру, в радиаль-
ном направлении уменьшается обратно пропорцио-
нально квадрату расстояния от него. Соответственно
уменьшается и магнитное поле Н2 этого тока.
Поверхностный ток I3 и его магнитное поле
Н3 уменьшаются обратно пропорционально
расстоянию от эмиссионного центра в радиальных
направлениях.
Магнитные поля Н1, Н2 и Н3 и поверхности
катода совпадают по направлению и это суммарное
поле ΣН=Н1+Н2+Н3 удерживает электроны у катода.
По мере удаления от эмиссионного центра все три
составляющие ΣН уменьшаются, при сохранении
энергии электронов их высоты циклоид h возрастают
до величины, превышающей характерные размеры
области эктона (условно 10-3см) и уходят на анод.
Быстрые электроны (за исключением кольцевых)
уходят к аноду на малых расстояниях от
эмиссионного центра, более медленные покидают
поверхность катода на больших расстояниях. В
процессе перемещения у поверхности катода
электроны десорбируют газы, частично ионизируют
их (ступенчатая ионизация) и образующаяся
поверхностная плазма способствует возникновению
новых эктонов [6].
Рис.1 Распределение токов в окрестностях эктона
При низком вакууме и загрязненной поверх-
ности, на которой имеется большое количество ад-
сорбированных газов, для десорбции которых доста-
точно доли электронвольта на один атом [3], из-за
частых столкновений энергия электронов уменьшает-
ся и при уменьшающемся тангенциальном поле ΣН
высоты их циклоид увеличиваются не столь интен-
сивно, их пробег (в пределах толщины - 10-3см) уве-
личивается. Радиус создаваемой ими поверхностной
плазмы в окрестностях эктона увеличивается и стано-
вится возможным возникновение новых эктонов на
расстоянии до 100 мкм. От эктона из прикатодной
области в сторону анода исходит ток в виде трубки,
диаметр которой определяется вакуумными условия-
ми и степенью загрязненности катода.
В случае, если ток разряда I2 течет по катоду
в одном преимущественном направлении, его маг-
нитное поле Н2 в этом направлении при удалении
эмиссионного центра не ослабевает, электроны
удерживаются в прикатодной области на большом
расстоянии, создавая условия для возникновения но-
вых эктонов (рис. 2). С противоположной стороны
эмиссионного центра из-за отсутствия поля Н2 элек-
троны достаточно быстро уходят к аноду и вероят-
ность появления новых эктонов снижается. Поэтому
на катоде пятно всегда движется к токоподводу.
Это явление широко используется в планар-
ных, а также торцевых испарителях для удержания
катодных пятен в пределах испаряемой поверхности
при помощи выступа вдоль ее краев [8, 9].
65
Если два эктона возникают рядом, их маг-
нитные поля направлены встречно, взаимно компен-
сируются, возникает ток электронов от поверхности
катода к аноду и магнитное поле этого тока направле-
но встречно магнитным полям обоих эктонов. В этом
месте ухудшаются условия возникновения новых эк-
тонов, в то время как вдали от эктонов такие условия
существуют (рис. 3). Таким образом, эктоны расхо-
дятся.
Рис.2 Распределение токов в окрестностях эктона при подключении
Рис. 3 Схема взаимодействия двух эктонов
Однако эти процессы происходят только в прикатод-
ной области (условно 10-3см). Выше этой зоны дейст-
вует закон Ампера, трубки токов от отдельных экто-
нов взаимно притягиваются, что вероятно и является
причиной того, что эктоны группируются в одно ка-
тодное пятно. В таком случае внутри катодного пятна
магнитные поля отдельных эктонов взаимно компен-
сируются и электроны уходят от катода; вне его экто-
ны взаимодействуют с поверхностью как было сказа-
но выше и в целом катодное пятно ведет себя подоб-
но отдельному эктону.
При наложении на катод внешнего тангенци-
ального магнитного поля оно складывается с ∑Н в
антиамперовом направлении, при этом электроны
удерживаются у катода, создавая поверхностную
плазму и условия для возникновения новых эктонов.
С противоположной стороны пятна внешнее поле
направлено противоположно ∑Н и электроны уходят
от катода вблизи эмиссионного центра. На расстояни-
ях от эмиссионного центра, где магнитное поле ∑Н
эктона становится меньшим внешнего магнитного
поля Нв, электроны, двигаясь по циклоидам, развора-
чиваются перпендикулярно ему в антиамперовом на-
правлении, образуя полосу поверхностной плазмы
(рис. 4). Поэтому катодное пятно столь чувствительно
даже к небольшим тангенциальным магнитным по-
лям.
В пределах этой полосы могут возникать но-
вые эктоны и катодное пятно рыскает, отклоняясь от
прямолинейного пути. Ширина этой полосы зависит
от величины внешнего магнитного поля, вакуумных
условий и наличия адсорбированных на катоде газов
− чем ниже вакуум и меньше внешнее поле, тем шире
полоса поверхностной плазмы. С увеличением внеш-
него поля электроны разворачиваются на меньшем
расстоянии от эмиссионного центра, плазменная по-
лоса сужается и путь катодного пятна становится бо-
лее выпрямленным, направленная скорость катодного
пятна будет увеличиваться.
Если магнитное поле Нв направлено к катоду
под углом α, трубка тока I4 от катодного пятна на-
правлена вдоль магнитных силовых линий и магнит-
ное поле этого тока Н4 со стороны острого угла скла-
66
дывается с остальными тремя составляющими маг-
нитного поля, удерживающими электроны у катода
(Рис. 5). Поверхностная плазма в этом направлении
будет плотнее и катодное пятно смещается в сторону
острого угла, образуя т.н. угол Робсона [12]. При этом
чем ниже вакуум, тем больше десорбированных элек-
тронами газов, плотнее и протяженнее поверхностная
плазма и тем больше угол Робсона, что подтвержда-
ется экспериментально.
Рис. 4 Распределение токов в окрестностях эктона при внешнем тангенциальном магнитном поле
Рис.5 Смещение эктона при наклонном внешнем маг-
нитном поле
При малых углах α электроны от катодного пятна
уходят сразу вдоль магнитных силовых линий и до-
полнительное магнитное поле Н4 не оказывает на эво-
люцию пятна существенного влияния. С увеличением
угла α часть электронов, удерживается у поверхности
катода. Магнитное поле Н4, складываясь с ∑Н, спо-
собствует удержанию их у поверхности катода, созда-
вая условия для возникновения новых эктонов, вслед-
ствие чего катодное пятно смещается в сторону ост-
рого угла, увеличивая угол Робсона.
Автор выражает благодарность И.И.Аксе-
нову, Н.С.Ломино и В.И.Карасю за полезные советы
при обсуждении статьи и внимание к работе
Литература
1. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической
дуги. М., «Наука», 1968.
2. Раховский В.И. Физические основы коммутации
электрического тока в вакууме. М., «Наука», 1970.
3. Месяц Г.А. Эктоны, ч. 1 и 2, Екатеринбург, УИФ
«Наука», 1993-1994.
4. Лафферти Дж. Вакуумные дуги. М., «Мир», 1982.
5. Любимов Г.А., Раховский В.И. Катодное пятно
вакуумной дуги.// УФН, 1978, т. 125, вып. 4, С.665
6. Месяц Г.А. Эктон - лавина электронов из метал-
ла.// УФН, 1995, т. 165, № 6, С. 601.
7. Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Парфенов А.Г. О ве-
личине катодного падения потенциала вакуумной ду-
ги.//ДАН СССР, 1990, т. 310, № 2, С. 344.
8. Sablev L.P., Andreev A.A., Kunchenko V.V., Grigo-
riev S.N. Vacuum-Arc Evaporator of Metals with an
Exntended Planar Cafnode.// Proc. ofthe TATF `98, Ger-
many, Regensburg 1998, P. 323.
9. Romanov A.A. and Andreev A.A. Method and Appa-
ratus for Controlling Plasma Generafion in Vapor Depo-
sition.// U.S. pat. № 4512867, 1982.
10. Плютто А.А., Рыжков В.Н., Капин А.Т. Высоко-
скоростные потоки плазмы вакуумных дуг // ЖЭТФ,
1964, т.47 вып.8, C.495.
11. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы.
М., Атомиздат, 1966.
12. Баренгольц C.А., Литвинов Е.А., Садовская Е.Ю.,
Шмелев Д.Л.. Движение катодного пятна вакуумной
дуги во внешнем магнитном поле.// ЖТФ, 1998, т. 68,
№6,C.60.
Ëèòåðàòóðà
|