ИССЛЕДОВАНИЕ  НАПЫЛЕНИЯ  ЭМИССИОННОГО  МАТЕРИАЛА  НА  ЗОНД  ЛЕНГМЮРА  В  ГАЗОРАЗРЯДНЫХ  ПРИБОРАХ

Майоров  Михаил  Иванович

д-р  техн.  наук,  профессор  национального  исследовательского  Мордовского  государственного  университета  им.  Н.П.  Огарева,  РФ,  г.  Саранск

E -mail:  mayorovmi@mail.ru

Майоров  Александр  Михайлович

канд.  физ.-мат.  наук,  доцент  национального  исследовательского  Мордовского  государственного  университета  им.  Н.П.  Огарева,  РФ,  г.  Саранск

E -mail:  allexx1383@mail.ru

STUDY  OF  EMISSION  MATERIAL  DEPOSITION  ON  LANGMUIR  PROBE  IN  GAS  DISCHARGE  DEVICES

Mikhail  Mayorov

doctor  of  Engineering  Science,  professor  of  N.P.  Ogarev  Mordovia  State  University,  Russia,  Saransk

Aleksandr  Mayorov

candidate  of  Physical  and  Mathematical  Sciences,  associate  professor  of  N.P.  Ogarev   Mordovia  State  University,  Russia,  Saransk

Аннотация

Для  измерений  скорости  удаления  эмиссионного  вещества  с  элект­родов  в  газоразрядном  приборе  предложено  использовать  ленгмюровский  зонд.  Напряжение  смещения  на  зонде  во  время  эксперимента  изменяли  так,  чтобы  зондовый  ток,  был  постоянно  равен  нулю.  Приведены  зависимости  изменения  напряжения  смещения  от  времени  для  различных  рабочих  токов  лампы.  Эти  изменения  являются  следствием  оседания  на  вольфрамовом  зонде  атомов  Ва,  что  связано  со  скоростью  удаления  оксидного  покрытия  с  катода.

ABSTRACT

For  the  purpose  of  measurement  of  emission  substance  removal  rate  from  electrodes  in  a  gas  discharge  device  the  Langmuir  probe  has  been  proposed  to  use.  During  the  experiment  bias  voltage  of  the  probe  has  been  changing  so  that  probe  current  was  permanently  equal  to  zero.  There  are  presented  relationships  of  bias  voltage  change  from  time  for  different  operating  currents  of  a  lamp.  These  changes  stay  for  the  consequence  of  barium  atoms’  sedimentation  on  a  tungsten  probe,  which  is  connected  with  a  removal  rate  of  oxide  coating  from  a  cathode.

Ключевые  слова:  эмиссионное  вещество;  газоразрядный  прибор;  зонд  Ленгмюра.

Keywords :  emission  substance;  gas  discharge  device;  Langmuir  probe.

В  вакуумных  приборах  скорость  удалении  материала  с  катода  может  быть  измерена  по  данным  масс-спектрометрического  анали­за  или  же  с  использованием  способа,  предложенного  Беккером  [2,  с.  398].  Для  измерений  скорости  удаления  эмиссионного  вещества  с  элект­родов  в  газоразрядном  приборе  оба  эти  способа  не  подходят.  О  скорости  расхода  эмиссионного  материала  в  этом  случае  можно  судить  косвенным  образом,  имея  данные  о  величине  катодного  па­дения,  давлении  и  роде  наполняющего  прибор  газа  [3,  с.  230]. 

В  [6,  с.  100]  отмечалось,  что  при  проведении  зондовых  измерений  в  газоразрядных  приборах  необходимо  учитывать  напыление  эмис­сионного  вещества  на  зонд.  Особенно  существенно  это  при  про­ведении  зондовых  измерений  вблизи  катода.  Ток  на  ленгмюровский  зонд  [1,  с.  220]  зависит  от  геометрии  и  потенциала  зонда  относите­льно  плазмы,  а  также  от  параметров  разряда.  Обычно  зонды  изго­тавливают  из  тугоплавких  молибденовых  или  вольфрамовых  прово­лок,  имеющих  работу  выхода  4,35  и  4,55  эВ  соответственно  [5,  с.  106].  Напыление  на  зонд  эмиссионного  материала  электрода  может  уме­ньшить  работу  выхода  зонда  на  величину,  превышающую  2В  [4,  с.  320].

В  [6,  с.  100]  при  обсуждении  зондовых  измерений  были  записаны  условия  для  замкнутой  цепи,  включающей  зонд  с  работой  выхода  φ_З,  источ­ник  напряжение  смещения  V_S  и  участок  плазмы  в  промежутке  элект­род-зонд.  Учитывались  падение  напряжения  на  пространственно-заряженной  оболочке  вокруг  зонда  V_L,  падение  напряжения  в  раз­ряде  на  участке  электрод-зонд  V_P,  а  также  работа  выхода  электрода  φ_ЭЛ.

Для  замкнутой  цепи:

  (1)

Поскольку  величина  тока  на  ленгмюровский  зонд  (I_З)  определяется  величиной  V_L,  то  при  уменьшении  работы  выхода  зонда  φ_З,  вследствие  напыления  на  него  продуктов  испарения  элект­рода,  величина  также  уменьшится  (если  V_S,  V_P  и  φ_ЭЛ.  величины  постоянные).  Таким  образом,  при  изменении  φ_З  будет  меняться  и  I_З.  Оставить  неизменным  ток  зонда  (I_З)  при  изменении  φ_З  можно,  если  поддерживать  условия  V_L=const.  за  счет  изменения  V_S.  Для  этого  необходимо,  чтобы  ΔV_S=Δφ_З,  то  есть,  при  условии  постоянства  зондового  тока,  изменение  напряжения  источ­ника  смещения  равно  изменению  работы  выхода  зонда.

В  большинстве  электронных  приборов  для  снижения  работы  вы­хода  катода  используют  эмиттеры  с  окисью  Ва.  Испаряясь  с  като­да,  атомы  Ва  оседают  на  деталях,  расположенных  внутри  колбы.  Если  в  прибор  вварить  зонд,  например,  вольфрамовый,  то  атомы  Ва  будут  оседать  и  на  нем.  А  поскольку  известна  связь  между  уменьшением  работы  выхода  вольфрама  и  степенью  покрытия  его  поверхности  атомами  Ва  [4,  с.  320],  то  по  величине  Δφ_З  можно  судить  о  степени  покрытия  вольфрамового  зонда  атомами  Ва.  Скорость  напыления  материала  эмиссионного  покрытия  на  детали  арматуры  лампы  (в  частности,  на  зонд)  определяется  скоростью  удаления  его  с  катода.  Чем  больше  она  будет,  тем  быстрее  поверхность  зонда  будет  покрываться  атомами  эмиттера.  То  есть,  по  скорос­ти  изменения  работы  выхода  зонда  можно  судить  о  скорости  уда­ления  эмиссионного  материала  с  катода.  Учитывая,  что  ΔV_S=Δφ_З  (если  зондовый  ток  поддерживать  постоянным),  о  скорости  удаления  эмиттера  можно  судить  по  изменению  ΔV_S  с  течением  времени.  Наибольшее  изменение  (наибольшая  чувствительность  мето­да)  реализуется  в  процессе  напыления  первого  монослоя  атомов  Ва.  Поэтому  перед  каждым  последующим  измерением  необходимо  очистить  зонд  от  продуктов  напыления  с  помощью,  например,  про­калки.

Эксперименты  проводились  на  газоразрядной  лампе  с  само­калящимися  катодами.  В  качестве  эмиттера  использовались  трой­ной  окисел  Ва,  Са,  Sr.  Катод  работал  в  режиме  катодного  пятна.  В  экспериментальную  лампу  на  расстоянии  10  мм  от  катода  вваривался  зонд  из  вольфрамовой  проволоки  диаметром  40  мкм,  длиной  3  мм.  Экспериментальная  установка  включала  источник  постоянно­го  напряжения  для  питания  лампы,  регулируемый  источник  напря­жения  смещения  и  измерительные  приборы.  Схема  приведена  на  рис.  1.

Рисунок  1.  Принципиальная  электрическая  схема  эксперименталь­ной  установки

В  лампе  инициировали  разряд.  Ток  разряда  измерялся  ампер­метром  РА1.  Прокалку  зонда  производили  перед  каждым  измерени­ем  подачей  на  него  в  течение  1  мин  положительного  потенциала,  обеспечивающего  разогрев  зонда  до  температуры  порядка  1700  К. 

Напряжение  смещения  V_S  ,  измеряемое  РV1  во  время  эксперимента  изменяли  так,  чтобы  зондовый  ток,  контролируемый  по  микроамперметру  РА2,  был  постоянно  равен  нулю.

Рисунок  2.  Зависимость  изменения  напряжения  смещения  от  времени  для  различных  рабочих  токов  лампы:  1  —  I   =0,43  А;  2  —  I  =0,4  А;  3  —  I  =0,35  А;  4  —  I  =0,3  А

На  рис.  2  представлены  зависимости  изменения  напряжения  смещения  ΔV_S  от  времени  для  различных  рабочих  токов  газоразряд­ного  прибора.  Амплитуда  изменения  V_S  в  процессе  измерений  достигала  2,3  В.  Учитывая  тот  факт,  что  изменение  работы  вы­хода  системы  W  —  Ва,  равное  примерно  2,3  В  наблюдается  при    (см.  рис.  3,  [4,  с.  320]),  можно  утверждать,  что  изменение  V_S  на  2,3  В,  полученное  в  эксперименте,  является  следствием  оседания  на  вольфрамовом  зонде  монослоя  атомов  Ва.  Данные  рис.2  показывают,  что  скорость  изменения  существен­но  зависит  от  разрядного  тока  и  при  изменении  последнего  от  0,3  до  0,43  А  возрастает  в  5  раз  (сравнить  кривые  1  и  4).  Из  рис.  2  также  видно,  что  если  за  8  с  при  разрядном  токе  0,43  А,  ΔV_S=2,3  В  (т.  е.  напыляется  слой  Ва,  соответствующий  ),  то  при  токе  0,4  А  за  это  же  время  ΔV_S=1,37В  (т.  е.  напы­ляется  слой  Ва,  соответствующий  ),  а  при  токах  0,35  А  и  0,3  А  ΔV_S=0,67  В  (напыляется  слой  Ва,  соответствующий  отноше­нию  ).

Рисунок  3.  Зависимость  эффективной  работы  выхода  W   от  степени  покрытия  его  поверхности  адсорбированными  атомами  Ва  [6].  Θ  —  степень  покрытия  поверхности  W  атомами  Ва.  Θопт  —  оптимальная  степень  покрытия,  соответствую­щая  минимальной  работе  выхода

А  так  как  изменение  скорости  напыления  на  зонд  зависит  от  интенсивности  удаления  оксидного  покрытия  с  катода,  то  эта  ин­тенсивность  при  возрастании  рабочего  тока  от  0,3  А  до  0,43  А  увеличивается  почти  в  5  раз.

Таким  образом,  по  данным  рис.  2  можно  оценить  скорость  рас­пыления  катода  при  различных  токовых  нагрузках  в  приборах  с  газовым  наполнением.  Это  дает  возмож­ность  судить  о  зависимости  скорости  удаления  эмиссионного  пок­рытия  с  катода  как  от  величины  тока,  состава  наполняющих  при­боров  газов,  их  давления,  так  и  от  конструкций  электродов  и  типа  эмиссионного  вещества.

Список  литературы:

1.Дарроу  К.  Электрические  явления  в  газах.  Харьков-Киев:  Гос.  н.-т.  изд.  Украины,  1937.  —  320  с.

2.Ратледж  В.К.,  Милч  А.,  Ритнер  Е.С.  Измерение  мгновенной  абсолютной  скорости  испарения  бария  с  диспенсерных  катодов  /  Эффективные  термокатоды.  —  1961.  —  №  3.  —  С.  398—409.

3.Рохлин  Г.Н.  Газоразрядные  источники  света.  М–Л.:  Энергия,  1966.  —  С.  230—231.

4.Соболев  В.Д.  Физические  основы  электронной  техники.  М.:  Высшая  школа,  1979.  —  448  с.

5.Фоменко  В.С.  Эмиссионные  свойства  материалов.  Киев:  Наукова  Думка,  1981.  —  С.  106—113.

6.Verweij  W.  The  low  pressure  gas  discharge  //  Philips  rescarch  reports  supplements.  —  1961.  —  №  2.  —  P.  1—112.