ЛР4(Плазма)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»

Тема: РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА (КРИВЫЕ ПАШЕНА)

Студентка гр. 9205		Серикбеков А.
Преподаватель		Марцынюков С.А.

Санкт-Петербург

2021

Цели работы: расчет напряжения возникновения газового разряда при различных условиях.

Основные понятия, термины и определения

Область I обусловлена током частиц, образовавшихся в промежутке за счет объемной ионизации и вторичной эмиссии электронов поверхностью катода под действием достаточно жестких квантов и быстрых ядерных частиц, связанных с естественным (космическим) или искусственным фоном облучения. Если каким-то образом оградить промежуток внешнего ионизирующего воздействия, то ток между электродами в области I практически прекратится. По этой причине протекание тока на участке I вольт-амперной характеристики (ВАХ) называется «несамостоятельным» разрядом. Совершенно иначе обстоят дела на II участке вольт-амперной характеристики. Здесь очень существенна вторичная эмиссия электронов катодом под действием бомбардирующих его ионов.

Рисунок 1 – Обобщенная вольт-амперная характеристика

По этой причине общепринятая методика вычисления значения Uв основана на расчете U0, при котором начинает выполняться условие самостоятельности:

где γ – коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа; L – расстояние между электродами; α(x) – коэффициент объемной ионизации нейтральных атомов или молекул газа электронами.

Зависимость приближенно можно аппроксимировать следующим соотношением:

где Е – напряженность электрического поля; р – давление газа (или пара) в промежутке; А и В – константы, зависящие от рода газа.

Экспериментальные данные по коэффициенту объемной ионизации электронами некоторых газов представлены на рис. 4.2.

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента объемной ионизации

Степень точности сделанного ранее допущения о постоянстве коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии γ можно оценить по экспериментальным данным, приведенным на рис. 4.3.

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии электронов

Примем, что распределение потенциала между плоскими электродами линейно. В связи с этим электрическое поле будет однородным, а его напряженность определяется как

Подставим выражения (4.2) и (4.3) в условие самостоятельности (4.1). Полученная зависимость - аналитическое выражение закона Пашена.

Обработка результатов

1. Вывод формулы, описывающей зависимость U_в = f(pL)

⇒

⇒ ,

⇒ ⇒ ⇒

⇒

2. Построим график зависимости α(Е, р), используя расчетные параметры и формулу (4.2)

Расчетные параметры

Газ	A, см-1 мм рт. ст.-1	B, В*см-1 мм рт. ст.-1	В*см-1 мм рт. ст.-1
Ar	13.6	235	100-600

1/(см*мм рт.ст.)

В/(см*мм рт.ст.)

Рисунок 4 – расчётная и экспериментальные зависимости для Ar

При сопоставлении зависимостей для аргона видно, что экспериментальная и расчётная зависимости практически идентичны.

3. Рассчитать ход зависимости для выбранного газа и различных материалов мишени, используя расчетные параметры и выражение, полученное в 1 пункте.

Материалы мишени – Fe, Pt, Ni

Данные:

₁ = 0.058 ₂ = 0.03 ₃ = 0.058

см*мм рт.ст.

Uв, В

Рисунок 5– График зависимости для выбранного газа и различных материалов мишени.

4. Рассчитать ход зависимости для выбранного материала мишени и различных газов.

Газ –Ne, Ar, H₂

Материалы мишени – Ni

см*мм рт.ст.

Uв, В

Рисунок 6 – График зависимости для выбранного материала мишени и различных газов.

Рисунок 7 – экспериментальные зависимости U_в = f(pL) для разных газов

_{При сопоставлении графиков видно, что} точки пересечения графиков экспериментальных и расчётных зависимостей для Н₂ и Ar пересекаются приблизительно в одной точке.

Вывод.

В ходе данной лабораторной работы были исследованы напряжения возникновения газового разряда при различных условиях, коэффициента объёмной ионизации и сопоставление полученных данных с экспериментальными. Отмечено, что теоретическая аппроксимация коэффициента объёмной ионизации имею различия, обусловленные, вероятно, крупномасштабностью графика в МУ, что определяет сложность сопоставления графиков. Различия могут быть также обусловлены различными внешними факторами, не учитываемыми в теоретической зависимости.

Сопоставив график полученный мною и график экспериментальных данных по коэффициенту объемной ионизации, можно заметить, что график теоретической аппроксимации коэффициента объёмной ионизации похож на график с экспериментальными данными.

Проанализировав кривые Пашена можно увидеть, что для одного и того же газа минимум напряжения возникновения газового разряда будет тем меньше, чем больше коэффициент вторичной эмиссии ионно-электронного типа. В данном случае, наименьшее значение минимума кривой Пашена наблюдается при использовании никеля или железа в качестве материала мишени, а наибольшее – при использовании платины.

Экспериментальная зависимость Uв для аргона указывает на то, что в реальных плазменных приборах с использованием этого газа минимальное напряжение пробоя будет достигаться на больших межэлектродных промежутках и превысит теоретические значения. К тому же сама экспериментальная кривая Пашена для аргона имеет более плавные участки роста и падения по сравнению с теоретическими зависимостями. Эти факты, а также то, что кривая Пашена для реальных приборов не бесконечна, объясняются тем, что при слишком малых расстояниях между электродами происходит вакуумный пробой, вызванный разогревом электрода вследствие холодной эмиссии, а при слишком больших расстояниях происходит лавинный пробой. Эти факторы и определяют более плавный ход кривой Пашена.