Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode
The characteristics of the low pressure discharge in crossed electric and magnetic fields is described in this work for the case of magnetically insulated diode and electron anode layer with free cathode boundary. The theory is compared with experimental characteristics of Hall-type ion source “Radi...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82309 |
| 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: | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode / A. Jamirzoev, S. Yakovin, A. Zykov // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 1. — С. 259-262. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860193082782253056 |
|---|---|
| author | Jamirzoev, A. Yakovin, S. Zykov, A. |
| author_facet | Jamirzoev, A. Yakovin, S. Zykov, A. |
| citation_txt | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode / A. Jamirzoev, S. Yakovin, A. Zykov // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 1. — С. 259-262. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The characteristics of the low pressure discharge in crossed electric and magnetic fields is described in this work for the case of magnetically insulated diode and electron anode layer with free cathode boundary. The theory is compared with experimental characteristics of Hall-type ion source “Radical” such as breakdown curves, current-voltage characteristics, dependences of discharge current on magnetic field and pressure. As a result of the carried out analysis, the mechanism of the discharge evolution dependence on boundary conditions is proposed. The mechanism of discharge initiation based on combined ionization of gas by electron avalanches and high energy γ-electrons is considered as well.
Исследованы характеристики разряда низкого давления в скрещенных ЕхН-полях со свободной и фиксированной катодной границей (случай магнитоизолированного диода). Получены новые экспериментальные данные для вольт-амперных характеристик и зависимости разрядного тока от давления и напряженности магнитного поля. Показано, что стартовые участки вольт-амперных характеристик для обоих случаев идентичны и соответствуют режиму с «осциллирующими» электронами. Также представлена теоретическая модель, основанная на уравнениях баланса токов и энергии электронов, и проведено сравнение с экспериментом. Полученные результаты представляют интерес для дальнейшего развития магнетронных распылительных систем и плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов.
Досліджено характеристики розряду в схрещених ЕхН-полях з вільною та фіксованою границею (режим магнітоізольованого діода). Здобуто нові експериментальні дані для вольт-амперних характеристик та проаналізовано їхні залежності від тиску та напруженості магнітного поля. Показано, що стартові ділянки вольт-амперних характеристик в обох випадках є ідентичними та відповідають режиму з «осцилюючими» електронами. Також представлено теоретичну модель, яка базується на струмовому та енергетичному балансі електронів, а також проведено порівняння з експериментом. Здобуті дані є корисними для подальшого розвитку магнетронних розпилювальних систем та плазмових прискорювачів із замкнутим дрейфом електронів.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:07:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №1(95)
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2015, № 1 Series: Plasma Physics (21), p. 259-262. 259
LOW PRESSURE GAS DISCHARGE IN MAGNETICALLY INSULATED
DIODE
A. Jamirzoev, S. Yakovin, A. Zykov
V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine
The characteristics of the low pressure discharge in crossed electric and magnetic fields is described in this work
for the case of magnetically insulated diode and electron anode layer with free cathode boundary. The theory is
compared with experimental characteristics of Hall-type ion source “Radical” such as breakdown curves, current-
voltage characteristics, dependences of discharge current on magnetic field and pressure. As a result of the carried
out analysis, the mechanism of the discharge evolution dependence on boundary conditions is proposed. The
mechanism of discharge initiation based on combined ionization of gas by electron avalanches and high energy
-electrons is considered as well.
PACS: 52.80.-s
INTRODUCTION
In last decades, the considerable interest to
experimental and theoretical research of accelerators
with the closed drift of electrons in crossed EH fields is
observed [1]. It is caused by the wide application of
such type ion sources in the role of charged particle
accelerators, space thrusters and in ion plasma
technologies [2]. At the same time, despite the extensive
researches, numerical and analytical models of such
systems which could allow carrying out engineering
calculations are not developed up to now.
The present study continues the investigation of this
discharge started in previous papers [3, 4]. The aim of
this paper consists in the comparative analysis of the
analytical model with experimental data for current-
voltage characteristics, discharge current dependences
on magnetic fields strength and pressure, as well as
identification of the discharge mechanism.
Two cases of the discharge with different boundary
condition are considered (Fig. 1a,b):
a) the electron anode layer with free cathode
boundary;
b) the cathode boundary is fixed by the conductive
grid with transparency of 50% (the case of magnetically
insulated diode).
In the both cases in this discharge, two groups of
electrons take part in working gas ionization: primary
high energy electrons emitted from the cathode and
secondary electrons, produced in anode layer. So the
variation of boundary condition changeі the balance of
a b
Fig. 1. Schematic model of “Radical” ion source
discharge gap
Fig. 2. Schematic layout of “Radical” ion source:
1 – solenoid; 2 – cathode; 3 – anode; 4 – gas inlet;
5 – cooling water inlet for anode ;
6 – anode layer of electrons
electrons in anode layer and the mechanism of
discharge.
1. EXPERIMENTAL SETUP
The research is carried out on experimental
installation with the ion source "Radical". The source is
a kind of gas discharge in crossed Е and Н fields with
the cold cathode. In such sources the closed drift of
electrons in the space anode-cathode is realized. The
ionization of working gas is provided by high-energy
electrons which are kept in specially arranged
electromagnetic trap. The design of the ion source is
presented on Fig. 2.
The electron trapping in the space anode-cathode
(with the length of 4 mm) is provided by potential
"well" and lens-shaped configuration of magnetic field.
Ions, unlike the electrons, are practically not influenced
by magnetic field and are accelerated in electric field.
Therefore, the tubular ion beam with an initial diameter
of about 100 mm is formed.
2. EXPERIMENTAL RESULTS
The ignition curves and current-voltage
characteristics are measured under different discharge
260 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №1(95)
boundary conditions. On Fig. 3 the ignition curves with
free and fixed discharge boundary are presented. As it
follows from the figure, qualitative difference of
breakdown character is observed. One can see that the
discharge switch-off at high anode voltage appears in
magnetically insulated diode.
The current-voltage characteristics of the ion source
with different boundary conditions for various magnetic
fields strengths are presented on Figs. 4, 5. The
comparative analysis of the characteristics shows, that
up to anode voltage of 2 kV the discharge current has
linear character in the both cases. However, above the
2.5 kV the discharge switches off in the case of the grid
application in the ion source.
On Figs. 6, 7 the dependences of the anode current
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0
1
2
3
4
5
p=4*10
-4
Torr
U
d
,
k
V
H, kOe
Switch-on curve with the grid
Switch-off curve with the grid
Switch-on curve without the grid
Fig. 3. The ignition curves of the discharge under
different boundary conditions
0 1 2 3 4 5
0
20
40
60
80
100
p=2*10
-4
Torr
I d
,
I b
,
m
A
U, kV
H=1 kOe
H=2 kOe
H=3 kOe
Fig. 4. The current-voltage characteristics of the ion
source without the grid for different magnetic field
strength, P=210
4
Torr
0 1 2 3 4 5
0
20
40
60
80
100
U, kV
I
d
,
m
A
Н=3 кЭ
Н=2,5 кЭ
Н=2 кЭ
Н=1,5 кЭ
p=3*10
-4
Torr
Fig. 5. The current-voltage characteristics of the ion
source with the grid for different magnetic field
strength, P=210
4
Torr
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0
20
40
60
80
100
I
D
,
m
A
H, kOe
p=3*10
-4
Torr
U=1200 V
U=1600 V
U=2000 V
U=2500 V
Fig. 6. The anode current versus the magnetic field
strength in the ion source without the grid,
P=310
4
Torr
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0
20
40
60
80
100
p=2*10
-4
Torr
U=800В
U=1000В
U=1500В
U=2000В
U=2500В
I d
,
m
A
H, kOe
Fig. 7. The anode current versus the magnetic field
strength in the ion source with the grid. P=310
4
Torr
on the magnetic field strength in ion source with
different boundary conditions are presented.
One can see from the figures that qualitative
difference of dependences also takes place. The initial
part of characteristics at magnetic field strength
H = (0.5…1) kOe demonstrates continuous growth in
the ion source without the grid. On the contrary, the
abrupt switch-on of the discharge takes place in
magnetically insulated diode.
3. THEORETICAL MODEL
In the papers [3, 4], the 1D fluid model of anode
electron layer, based on electron current and power
balance in a discharge is presented. The theoretical
model considers ionization in the electromagnetic trap
by two groups of electrons: the primary high-energy γ -
electrons emitted from the cathode as a result of ion
bombardment, and the secondary plasma electrons
which appear in the volume of the sheath. The solutions
of the balance equitation in the parametric form for
dimensionless current, coordinate and potential are:
1 NEj ,
N
NE
NEX
1
ln11
,
XNEUU 11
2
1
`` 2
0
,
where the dimensionless variables are as follows:
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №1(95) 261
0E
E
E ,
e
E
j
j
i
4
0
,
i
Eb
x
X
0
,
i
Eb
U
2
0
`
.
The boundary conditions for the development of
electron avalanches are:
bjjx ,EE ,0 0 , 0 ,
eb
E ii
0
.
The parameter N = jb /j0 corresponds to the
dimensionless current at the electron avalanches
boundary (j0=iE0/4e is normalized current).
The dimensionless current-voltage characteristics
and current-coordinate dependences for different values
of N are presented on the Figs. 8, 9.
It should be mentioned, that normalized current j0
and coordinate X are proportional to magnetic field
strength H. Dotted lines on Figs. 8, 9 correspond to the
modes with fixed anode layer thickness for different
value of H.
The comparison of experimental and calculated
characteristics for ion source with the grid (mode of
magnetically insulated diode) is presented on the
Figs. 10, 11.
0 20 40 60 80 100 120 140
0
5
10
15
20
N=10
-15
N=10
-12
N=10
-9
N=10
-6
N=10
-3
N=0,1
N=1
N=3
J
'
U
Fig. 8. The dimensionless current-voltage
characteristics of the ion source for different values of
the parameter N
0 10 20 30 40 50
0
10
20
30
40
50
H=3 kOeH=2 kOe
U'=15
U'=20
U'=30
U'=40
U'=50
U'=60
U'=80
U'=100
U'=120
U'=140
J'
X'
H=1 kOe
Fig. 9. The dimensionless current-coordinate
dependences in the anode layer for different values of
the dimensionless potential U`
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0
20
40
60
80
100
p=1,5*10
-4
Torr
I d
,
m
A
U, kV
p=1,5*10
-4
Torr
p=4*10
-4
Torr
H=2 kOe
p=4*10
-4
Torr
Fig. 10. The experimental and calculated current-
voltage characteristics of the ion source with the grid
for various pressures of working gas
0 1 2 3 4
0
20
40
60
80
100
U=2500 V
U=2000 V
U=1500 V
U=1000 V
p=2*10
-4
Torr
U=800V
U=1000V
U=1500V
U=2000V
U=2500V
I,
m
A
H, kE
U=750 V
Fig. 11. The experimental and calculated current-
magnetic field strength characteristics of the ion source
with the grid for various anode voltages
CONCLUSIONS
In the present paper, the basic characteristics of the
discharge in crossed EH fields with free and fixed
cathode boundary (ignition curves, current-voltage
characteristics, current-magnetic field strength
dependences) are studied. The following results are
obtained.
Breakdowns on the bottom branch of the ignition
curves for the discharge with free and fixed cathode
boundary are equivalent ones. So the initial stages of the
discharge current-voltage characteristics for both cases
are identical and correspond to the mode with
«oscillating» electrons [4].
The presented theoretical model, based on the
current and energy balance of electrons, demonstrates a
good agreement with experimental results.
Stationary states of the discharges at U < 2.5 kV
correspond to the mode with constant anode layer
thickness and different value of initial electron current
0 < N < at the cathode boundary.
For the case of free cathode boundary case (part of
the current-voltage characteristics at U > 2.5 kV,
H < 1 kOe) the anode layer thickness changes according
to the mode with constant N .
The obtained results are of interest for the further
development of the theory of discharge in crossed Е×Н
fields and for magnetron sputtering systems.
262 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №1(95)
REFERENCES
1. I.S. Gasanov. Plasma and beam technology. Baku:
"Elm". 2007, p. 175 (in Russian).
2. Yu.P. Maishev. Ion sources and ion-beam equipment
for deposition and etching of materials // Vacuum
technique and technology. 1992, v. 2, № 3,4, p. 53-58.
3. I.A. Zagrebelnyy, A.V. Zykov, M.S. Glaznev.
Break-down of the magnetically insulated diode //
Problems of Atomic Science and Technology. Series
“Plasma Physics”. 2007, № 1, p. 197-199.
4. A. Jamirzoev, S. Yakovin, A. Zykov. Characteristics
of discharge in crossed ExH fields near breakdown
curve in acceleration and plasma regime // Problems of
Atomic Science and Technology. Series “Plasma
Physics”. 2013, № 1, p. 186-188.
Article received 23.12.2014
МЕХАНИЗМ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В МАГНИТОИЗОЛИРОВАННОМ ДИОДЕ
А. Джамирзоев, С. Яковин, А. Зыков
Исследованы характеристики разряда низкого давления в скрещенных ЕхН-полях со свободной и
фиксированной катодной границей (случай магнитоизолированного диода). Получены новые
экспериментальные данные для вольт-амперных характеристик и зависимости разрядного тока от давления
и напряженности магнитного поля. Показано, что стартовые участки вольт-амперных характеристик для
обоих случаев идентичны и соответствуют режиму с «осциллирующими» электронами. Также представлена
теоретическая модель, основанная на уравнениях баланса токов и энергии электронов, и проведено
сравнение с экспериментом. Полученные результаты представляют интерес для дальнейшего развития
магнетронных распылительных систем и плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов.
МЕХАНІЗМ РОЗРЯДУ НИЗЬКОГО ТИСКУ В МАГНІТОІЗОЛЬОВАНОМУ ДІОДІ
А. Джамірзоєв, С. Яковін, О. Зиков
Досліджено характеристики розряду в схрещених ЕхН-полях з вільною та фіксованою границею (режим
магнітоізольованого діода). Здобуто нові експериментальні дані для вольт-амперних характеристик та
проаналізовано їхні залежності від тиску та напруженості магнітного поля. Показано, що стартові ділянки
вольт-амперних характеристик в обох випадках є ідентичними та відповідають режиму з «осцилюючими»
електронами. Також представлено теоретичну модель, яка базується на струмовому та енергетичному
балансі електронів, а також проведено порівняння з експериментом. Здобуті дані є корисними для
подальшого розвитку магнетронних розпилювальних систем та плазмових прискорювачів із замкнутим
дрейфом електронів.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-82309 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:07:30Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Jamirzoev, A. Yakovin, S. Zykov, A. 2015-05-27T15:29:50Z 2015-05-27T15:29:50Z 2015 Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode / A. Jamirzoev, S. Yakovin, A. Zykov // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 1. — С. 259-262. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.80.-s https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82309 The characteristics of the low pressure discharge in crossed electric and magnetic fields is described in this work for the case of magnetically insulated diode and electron anode layer with free cathode boundary. The theory is compared with experimental characteristics of Hall-type ion source “Radical” such as breakdown curves, current-voltage characteristics, dependences of discharge current on magnetic field and pressure. As a result of the carried out analysis, the mechanism of the discharge evolution dependence on boundary conditions is proposed. The mechanism of discharge initiation based on combined ionization of gas by electron avalanches and high energy γ-electrons is considered as well. Исследованы характеристики разряда низкого давления в скрещенных ЕхН-полях со свободной и фиксированной катодной границей (случай магнитоизолированного диода). Получены новые экспериментальные данные для вольт-амперных характеристик и зависимости разрядного тока от давления и напряженности магнитного поля. Показано, что стартовые участки вольт-амперных характеристик для обоих случаев идентичны и соответствуют режиму с «осциллирующими» электронами. Также представлена теоретическая модель, основанная на уравнениях баланса токов и энергии электронов, и проведено сравнение с экспериментом. Полученные результаты представляют интерес для дальнейшего развития магнетронных распылительных систем и плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. Досліджено характеристики розряду в схрещених ЕхН-полях з вільною та фіксованою границею (режим магнітоізольованого діода). Здобуто нові експериментальні дані для вольт-амперних характеристик та проаналізовано їхні залежності від тиску та напруженості магнітного поля. Показано, що стартові ділянки вольт-амперних характеристик в обох випадках є ідентичними та відповідають режиму з «осцилюючими» електронами. Також представлено теоретичну модель, яка базується на струмовому та енергетичному балансі електронів, а також проведено порівняння з експериментом. Здобуті дані є корисними для подальшого розвитку магнетронних розпилювальних систем та плазмових прискорювачів із замкнутим дрейфом електронів. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Низкотемпературная плазма и плазменные технологии Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode Механизм разряда низкого давления в магнитоизолированном диоде Механізм розряду низького тиску в магнітоізольованому діоді Article published earlier |
| spellingShingle | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode Jamirzoev, A. Yakovin, S. Zykov, A. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode |
| title_alt | Механизм разряда низкого давления в магнитоизолированном диоде Механізм розряду низького тиску в магнітоізольованому діоді |
| title_full | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode |
| title_fullStr | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode |
| title_full_unstemmed | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode |
| title_short | Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode |
| title_sort | low pressure gas discharge in magnetically insulated diode |
| topic | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82309 |
| work_keys_str_mv | AT jamirzoeva lowpressuregasdischargeinmagneticallyinsulateddiode AT yakovins lowpressuregasdischargeinmagneticallyinsulateddiode AT zykova lowpressuregasdischargeinmagneticallyinsulateddiode AT jamirzoeva mehanizmrazrâdanizkogodavleniâvmagnitoizolirovannomdiode AT yakovins mehanizmrazrâdanizkogodavleniâvmagnitoizolirovannomdiode AT zykova mehanizmrazrâdanizkogodavleniâvmagnitoizolirovannomdiode AT jamirzoeva mehanízmrozrâdunizʹkogotiskuvmagnítoízolʹovanomudíodí AT yakovins mehanízmrozrâdunizʹkogotiskuvmagnítoízolʹovanomudíodí AT zykova mehanízmrozrâdunizʹkogotiskuvmagnítoízolʹovanomudíodí |