Рис. 5. Износ катода

В конструкцию, изображенного на фотографиях катода и катодного узла, были внесён ряд изменений, с целью увеличения ресурса и длительности импульса генератора. Схема модифицированного катода изображена на рисунке 6. В конструкции модифицированного генератора плазмы для инжектора ДИНА-TCV стенки катода (1) были выполнены из более стойкого и тугоплавкого материала молибдена. Так же была увеличена площадь рабочей поверхности катода – катод был изготовлен в виде цилиндра. Эти изменения в конструкции катода существенно снизили распыление поверхности катода при работе генератора в секундном режиме.

Рис. 6. Катодный узел. 1-катодный электрод, 2-прикатодный металлический электрод, 3-рабочая зона катода, 4А-изолятор, 4В-керамическое кольцо, 5-вторая диафрагма дугового канала.

Проведем оценку максимальной длительности импульса катодного электрода и так же оценку ресурса катода для дугового генератора плазмы с холодным катодом ДИНА-TCV, т. е. максимальное количество импульсов при некоторой заданной длительности импульса (для ДИНА-TCV это две секунды). Экспериментально установлено, что унос материала катода происходит равномерно с поверхности некоторого участка катодного электрода ближайшего к дуговому каналу. Этот участок представляет собой часть стенки цилиндрического катода (рис., назовём его рабочей поверхностью катода. К преимуществам цилиндрической формы катода можно отнести небольшое напыление материала катода в наиболее “опасную” область прикатодного электрода. Экспериментально установлено, что большая часть материала катода, распыляемая из рабочей зоны, собирается в виде металлических шариков в области катода ближайшей к отверстию для напуска газа. На рисунке 7 изображен катод после 2000 двухсекундных импульсов, наблюдается образование металлических шариков в сравнительно “безопасной” зоне катода, ближайшей к отверстию для напуска газа. При этом толщина напыления материала катода на прикатодный электрод (рис.6 (2)) составила порядка 0,5 миллиметра, что не представляет опасности для работы этого дугового генератора.

Рис. 7. Катод после 2000 двухсекундных импулсов.

Площадь поверхности рабочей зоны катода составляет ~7 см2. Известно, что мощность, выделяемая в виде теплоты на катоде, составляет примерно треть от всей мощности выделяющейся в генераторе при разряде, которая составляет десятки кВт. Тепло на катодном электроде преимущественно выделяется в локальных участках катода – катодных пятнах, за счёт ионной бомбардировки области катодного пятна. Скорость хаотичного движения катодного пятна в рабочей области катода составляет см/с, поэтому можно считать, что рабочий участок поверхности катода нагревается равномерно.

Теплота, выделяющаяся в рабочей зоне катодного электрода, частично отводится посредством теплопроводности, а оставшаяся идёт на нагрев и расплавление материала катода. Можно предположить, что изменения связанные с расплавлением и заметным перемещением 5-10 граммов рабочей части катода ведёт к нарушению работы генератора. Оценим максимальное время работы катода при одном импульсе – необходимое для расплавления скажем 10 граммов материала катода в его рабочей области. Для оценки приближённо заменим цилиндрическую стенку катода на полупространство.

Это допущение правомерно при условии, что времена оценки меньше времени за которое тепло распространится на характерное расстояние равное в нашем случае полной толщине стенки катодного цилиндра. Оценим сначала это время. Из уравнения теплопроводности

,

где T – температура, t – характерное время процесса, a – температуропроводность молибдена, z – характерная глубина проникновения тепла. Получаем, что время, на котором наши оценки справедливы, составляет порядка полутора секунд.

Решая уравнение теплопроводности для модели плоского теплового потока падающего на полупространство [8], получим

, где

,

z – ось координат, направленная по нормали к плоскости; t – время за которое падает тепло; λ – теплопроводность молибдена; a – температуропроводность молибдена; q – мощность теплового потока на единицу поверхности.

Подставив необходимые физические величины [9], из этого уравнения можно найти время достижения рабочей поверхностью катода (z=0) температуры плавления. В нашем случае это время примерно равно 1,9 секундам, обозначим это время t0. Для удобства будем различать два временных интервала, а именно интервал t1 до достижения температура плавления молибдена на поверхности 0≤t1≤t0 и интервал t2 после достижения температуры плавления на поверхности и до окончания импульса. Теплоту необходимую для “разрушения” катода удобно разбить на три составляющие: теплота, отведённая теплопроводностью в глубь материала катода, теплота необходимая для нагрева 10 граммов молибдена до температуры плавления и теплота необходимая для расплавления 10 граммов молибдена. При заданной постоянной мощности потока тепла и известном времени достижения температуры плавления на поверхности катода, можно найти количество теплоты, отведенное в глубь материала из-за теплопроводности. При мощности теплового потока P=104Вт, теплота, отведённая Q=2·104Дж за время t0. В течение интервала времени t2 вся теплота, выделяющаяся на катоде, идёт на нагрев и расплавление материала катода. Теплота на нагрев 10 граммов молибдена Q=6,7·103Дж. Теплота, затраченная на расплавление 10 грамм молибдена Q=2,7·103Дж. Таким образом общая теплота необходимая для существенных повреждений катода Qобщ примерно равна 3·104Дж. Отсюда можно получить грубую оценку максимальной длительности импульса дугового генератора и для нашего случая она составляет порядка 3 секунд, при этом глубина проплавления рабочей зоны катода составляет примерно 0,1см.

Из приведённой оценки видно, что теплота, отводимая в глубь стенок катода из-за теплопроводности, на порядок больше теплоты затраченной на нагрев и на расплавление материала катода. Таким образом, в рамках этой модели можно ввести условно порог времени импульса, который разумно положить примерно равным времени необходимом для достижения температуры плавления молибдена на поверхности катода. Можно предположить что импульсы, времена которых меньше порогового времени несут существенно меньшую нагрузку на катод по сравнению с импульсами времена, которых больше порогового. В нашем случае пороговое время составляет порядка двух секунд.

Поправки к этой оценке связаны с уточнением геометрии катода и требуют численных расчетов. Так же нужно принять во внимание, что только часть расплавленного материала негативно воздействует на работоспособность генератора плазмы. Для уточнения оценки необходимо учитывать принудительное охлаждение катодного узла водой. С учетом этих поправок и с учетом опыта работы с генератором можно оценить длительность единичного импульса, приводящего к разрушению катода примерно в 5-7 секунд. Это примерно согласуется с приведённой выше оценкой.

Проведём теперь оценку ресурса катода. Т. е. оценим количество стандартных для генератора импульсов, за которое унос материала с рабочей поверхности катода достигнет критического. Для рассматриваемого генератора стандартными импульсами будем считать импульсы длительностью 2 секунды, в рамках приведённой выше оценки это время является близким к пороговому. Глубина проплавления рабочей поверхности, при длительности импульса 2 секунды, катода составляет примерно 0,1 мм, которая является характерным размером выбрасываемых из рабочей зоны частиц молибдена.

Если предположить, что за каждый импульс с рабочей поверхности катода уносится одинаковое количество материала, то можно сделать оценку ресурса данного генератора. Для этого был рассмотрен катодный электрод данного генератора, работавший в режиме двух секундных импульсов. Было произведено примерно 2000 рабочих импульса. При помощи штангенциркуля была измерен объём и посчитана масса унесённого материала катода, она составила примерно 4 грамма. Из предположения о том, что изменение массы рабочей поверхности катода на ~ 6-10 грамм ведёт к нарушению работы генератора можно сделать оценку максимального количества двух секундных импульсов генератора при сохранении рабочих свойств катода. Из сказанного выше видно, что 2000 импульсов генератора соответствует унос материала катода составляющий примерно 4 грамма. Диффузный характер перемещения материала, а так же малый характерный размер частиц переносимых из рабочей поверхности катода приводят к замедлению скорости эрозии с ростом числа импульсов. Опытный результат для данных условий составил 5-10·103 импульсов, что соответствует примерно году работы на экспериментальной установке.

2.3 Стойкость электродов дугового канала

Прикатодная диафрагма используется для формирования дугового канала. При импульсах ≤ 1 секунды происходит сильное напыление материала катода на прикатодную диафрагму. При длительности импульса больше 1 секунды осаждения материала катода уже не происходит, но материал керамической диафрагмы начинает сильно эродировать вплоть до полного разрушения диафрагмы.

Рисунок 8. Изображены керамические прикатодные диафрагмы изготовленные из керамики 22-ХС. Слева диафрагма после 500 с. интегрального времени работы в импульсах длительностью 0.5-1с., справа не использованная диафрагма.

Для борьбы с эрозией прикатодной керамической диафрагмы в конструкцию дугового канала было внесено изменение – была разработана конструкция, где для разделения катода и дугового канала вместо керамической диафрагмы был использован массивный металлический изолированный электрод под плавающим потенциалом [12]. Стойкость такого электрода значительно выше, чем у керамической диафрагмы, но при этом возникает проблема его изоляции от катода во время импульса и в течение всего срока службы.

Изоляция металлического прикатодного электрода в рассматриваемой конструкции выполнена следующим образом. Первый керамический изолятор, изображенный на рисунке 6 (4А), изолирует катод и металлический прикатодный электрод. Второй изолятор, имеющий форму кольца (4В), препятствует “забеганию” дуги в щель и запылению первого керамического изолятора и, как следствие, к закорачиванию катода на плавающий электрод.

Установленный нами второй изолятор (4В) из керамики 22ХС подвергался разрушению в разряде – наблюдалось вращивание материала катода в керамику и в итоге это приводило к закорачиванию катода и прикатодной металлической диафрагмы и сильной эрозии этой диафрагмы. На рисунке 9 изображен разрушенный изолятор из керамики 22ХС.

Рис. 9. Катод с повреждённым изоляционным кольцом из керамики 22ХС

Хорошие результаты дала замена второго изолятора (4В), изготовленного из керамики 22ХС на изолятор из нитрида бора.

Рис. 10. Катод с изоляционным кольцом из нитрида бора, после примерно 2000 двухсекундных импульсов.

Изоляционное кольцо, изготовленное из нитрида бора, изображённое на рисунке 10, оказалось существенно более стойким к тепловым нагрузкам в этой области катодного узла.

Вторая диафрагма канала, изображённая на рисунке 6 (5), подвержена сильному термическому воздействию в центре и охлаждению на внешней её части, поэтому возникает сильная разница температур и из-за расширения материала диафрагма подвержена растрескиванию, повреждённая диафрагма изображена на рисунке 11. Это может привести к нарушению герметичности системы охлаждения дугового канала и попаданию воды в дуговой канал и, как следствию, нарушению работы генератора.

Рис. 11. Вторая диафрагма дугового канала, подверженная растрескиванию

Ранее была изготовлена и установлена на генератор диафрагма с радиальными разрезами, изображенная на рисунке 12. Таким образом, эта диафрагма может свободно расширяться в азимутальном направлении, и не подвержена описанному выше растрескиванию.

Рис.12. Вторая диафрагма дугового канала с радиальными разрезами

2.4 Геометрия анодного электрода

В дуговом генераторе анод (1), представленный на рисунке 13, имеет форму сопла и выполнен из меди.

В работе [2] экспериментально был определён ряд рекомендаций, по конструкции анода и ближайших прианодных диафрагм, позволяющих оптимизировать выход плазмы при заданном токе разряда и минимальном расходе газа:

1) Диаметры da отверстия в аноде и прианодной диафрагме следует выбирать равными и такими, что бы плотность разрядного тока составляла 1-2 кА/см2

2)Расстояние между анодом и прианод диафрагмой следует выбирать равным диаметру отверстия диафрагмы

3)В прианодной части разрядного канала на длине равной диаметру отверстия в прианодной диафрагме следует сохранять диаметр диафрагм постоянным и равным диаметру прианодной диафрагмы

Анод испытывает термические нагрузки, в связи с этим есть необходимость отвода тепла от анода. Охлаждение анода производится водой, протекающей через специальные каналы, изображённые на рисунке

Мощность дугового разряда можно снизить за счёт увеличения выхода плазмы при той же мощности разряда. Для этого в данной работе проводились эксперименты с “распределённым” дуговым разрядом, который позволил увеличить выход плазмы. Схема анода в этом случае представляла собой замыкание собственно анода на корпус камеры с постоянными магнитами накоротко или через сопротивление порядка долей Ом. Таким образом, часть тока разряда ответвлялась от медного анода (1) и шла через корпус камеры с постоянными магнитами (2).

Рис. 13. Анод и камера с постоянными магнитами. 1-медный анод, 2-корпус камеры с постоянными магнитами, 3-водяные каналы.

Глава 3 Результаты эксперимента

3.1 Исследование работы генератора в режимах с компактным и распределённым разрядом

Была исследована работа генератора плазмы при двух режимах разряда - компактным и распределённым разрядом. Режим с компактным разрядом - это режим когда дуга горит между катодом и медным анодом, изображённым на рисункеРежим с распределённым разрядом - это режим когда ток дуги частично ответвляется на корпус (2) камеры с постоянными магнитами. В режиме с распределённым разрядом напряжение от питания генератора прилагалось между катодом и анодам, изображённым на рисункеКорпус камеры с магнитной стенкой был соединён с анодом через сопротивление 0,2 ома. Токи дуги, ток в катушке и ток, ответвляемый на корпус камеры с магнитной стенкой, измерялись соответствующими леммами, сигналы с датчиков LEM выводились на осциллограф. Одному вольту сигнала с датчика LEM, измеряющего ток дуги, соответствует 200 ампер измеряемого тока. Напряжение, измеряемое между катодом и анодом, а так же между катодом и прикатодным электродом делилось в сто раз и затем через гальваническую развязку выводилось на осциллограф.

Ниже приведены осциллограммы. На рисунке 14 изображена осциллограмма: 1-й луч – напряжение между катодом и металлическим прикатодным электродом, 2-й луч - напряжение между катодом и медным анодом, 3-й луч - ток разрядной дуги, 4-й луч - линейно нарастающий ток в катушке, который пропорционален магнитному полю в канале разряда. Осциллограмма получена при режиме работы генератора плазмы с медным анодом – компактным разрядом. На осциллограмме видно, что магнитное поле в разрядном канале не влияет на вольт амперную характеристику дуги.

Рис. 14.

На следующей осциллограмме, рисунок 15, изображены параметры генератора при работе в режиме с распределённым разрядом. Четвёртый луч изображает ток ответвления на камеру с постоянными магнитами, сигналы, изображаемые лучами 1, 2, 3 те же, что и на рисунке 14. Магнитное поле линейно нарастает, как показано на рисунке 14. На этой осциллограмме наблюдается зависимость тока ответвления от величины магнитного поля в разрядном канале. При линейном увеличении магнитного поля ток ответвления растёт, пока не наступает некоторое насыщение.

Рис. 15.

На следующей осциллограмме, рисунок 16, изображены параметры генератора в режиме работы с компактным разрядом. Четвёртый луч изображает ток в катушке, сигналы, изображаемые лучами 1, 2, 3 те же, что и на рис 14.

Рис. 16.

Ранее было показано, что в режиме работы генератора с компактным разрядом магнитное поле, создаваемое в разрядном канале генератора катушкой с током, увеличивает выход плазмы от 3 до 10 раз. Основной процесс, происходящий в газоразрядном канале – ионизация молекул водорода электронным ударом. Силовые линии магнитного поля направлены вдоль дугового канала, т. о. электроны, двигающиеся от катода к аноду вдоль дугового канала, замагничиваются и начинают двигаться по силовым магнитным линиям. Это обстоятельство существенно увеличивает эффективность ионизации электронами.

В режиме работы генератора плазмы с распределённым разрядом, магнитное поле сильно влияет на ток, ответвляемый на корпус камеры с постоянными магнитами рисунок 15. На рисунке 15 видно, что при линейном нарастании магнитного поля ток ответвления увеличивается, пока не достигнет некоторого насыщения, и дальше увеличение магнитного поля на него не влияет. По-видимому, такое влияние магнитного поля на ток ответвления объясняется лучшим проявлением замагниченности электронов и изоляции от первого медного анода (рис.

В режиме с распределённым разрядом удаётся повысить выход плазмы при том же токе дуги в полтора - два раза. При токе дуги Id=230А, ток пучка Ibim1,3А, в режиме с медным анодом, изображённым на рисункеПри том же токе дуги Id=230А, ток пучка Ibim2А, в режиме с распределённым разрядом. Ток ответвления составляет примерно от 25% до 50%.

Повышение эффективности генерации плазмы в распределённом разряде позволяет снизить мощность, выделяемую в дуговом канале, при заданном выходе плазмы.

3.2 Вольт амперная характеристика

На рисунках 17, 18 представлены вольт амперные характеристики дугового генератора плазмы с холодным катодом в двух режимах работы: режиме с компактным разрядом и в режиме с распределённым разрядом, где сопротивление между анодом и камерой с постоянными магнитам составляет 0,2 Ом.

Рис.17. Вольт амперная характеристика дугового генератора плазмы с холодным катодом, в режиме с компактным разрядом.

Рис. 18 .Вольт амперная характеристика дугового генератора плазмы с холодным катодом, в режиме с распределённым разрядом. Медный анод закорочен на корпус камеры с постоянными магнитами через 0,2 Ом.

На рисунках 17 и 18 изображены вольт-амперные характеристики дугового генератора плазмы. Данные вольт-амперные характеристики являются слабо спадающими или постоянными, что характерно для дугового разряда.

Погрешности в этих измерениях связаны с погрешностями измерительных приборов. Погрешность измерительных приборов составляет примерно 5%.

3.3 Характеристики плазмы дугового генератора

Одним из основных параметров генераторов плазмы является состав получаемой плазмы. Состав – это содержание в пучке инжектора атомов с энергией E, E/2 и E/3. Генератор плазмы создаёт поток плазмы, в состав которого входят ионы H+, H2+, H3+, которые затем ускоряются в ИОС до одинаковых энергий E=e·U. Затем, в процессе нейтрализации и диссоциации молекул образуются атомы с различной энергией. Для диагностических целей наличие групп частиц с разными энергиями нежелательно, так как это усложняет обработку экспериментальных данных. Таким образом, массовый состав потока плазмы генератора будет тем “лучше” чем выше будет содержание атомарного водорода в пучке и чем ниже содержание молекулярного водорода.

При определении состава пучка, в силу его нейтральности и высокой мощности, лучше использовать бесконтактный метод диагностики, основанный на регистрации излучения с длинной волны, смещённой вследствие эффекта Доплера, описанный подробно [11]. При наблюдении излучения, рожденного взаимодействием пучка с остаточным газом вакуумной камеры, под углом, группы атомов с разными скоростями образуют разделенные по длине волны спектральные линии.

На выходе инжектора в состав сформированного пучка входят фракции из нейтральных частиц E, E/2 и E/3. Для определения параметров пучка используют газовую мишень. При взаимодействии с мишенью (H2) частицы пучка излучают линию Hα. Так как излучение регистрируется под углом к оси направления пучка, то согласно эффекту Доплера спектральная линия смещается на величину , где λ0 - несмещённая длина волны, α - угол между направлением распространения пучка и осью наблюдения, v – скорость распространения пука.

Рис. 19.Спектральный состав пучка атомов водорода. Слева для генератора плазмы в режиме с распределённым разрядом, справа для генератора плазмы с компактным разрядом.

На рисунке 19 изображены спектрограммы. На рисунке 19 слева изображена спектрограмма для режима работы генератора с распределённым разрядом, а справа с компактным разрядом.

Каждой фракции частиц соответствует своя доплеровски смещенная спектральная линия. Спектральная линия, соответствующая энергии E, сильнее удалена от несмещенной линии, излучаемой фоновым газом, а линии соответствующие энергиям E/2 и E/3 находятся между ними. На спектрограммах, изображенных на рисунке 18, видно, что для режима работы генератора с распределённым разрядом содержание основной компоненты пучка несколько ниже и составляет 75-80%,чем для режима с компактным разрядом ~85%.

3.4 Экспериментальное исследование ресурса дугового генератора

Здесь, на рисунках, приведены фотографии основных узлов генератора плазмы с холодным катодом при различных степенях износа.

Рис. 20. Катод средний износ

Катод после 500 полусекундных импульсов. Нет видимых изменений катодного электрода. Анализ поверхности электрода указывает на небольшое перемещение материала катода из рабочей области в область, ближайшую к отверстию для напуска газа.

Рис. 21. Катод сильный износ

Катод после примерно 2000 двухсекундных импульсов. Наблюдается унос или вытеснение расплавленного материала катода из рабочей области и скопление его в виде металлических шариков молибдена в области катода ближайшей к отверстию для напуска газа. Такое вытеснение материала вглубь катодной полости практически не сказывалось на работоспособности генератора.

Рис. 22. Анод, подвергнувшийся сильному износу в аварийном режиме

Анод после примерно 2000 двухсекундных импульсов не претерпевает заметных изменений, на снимке выше заметное повреждение и изменение формы анодного отверстия, произошло после нескольких 4-секундных импульсов с нарушением подачи газа в анодную область разряда. Произошло заметное (на 20-30%) снижение выхода плазмы.

Заключение

1)  Была детально исследована одна из модификаций дугового генератора плазмы с холодным катодом, работающего в секундном диапазоне импульсов.

2)  Исследованы конструкционные решения по увеличению длительности импульсов и ресурса данного генератора плазмы с холодным катодом.

3)  Проведены некоторые оценки по ресурсным возможностям данного генератора плазмы.

4)  Экспериментально исследованы возможности увеличения ресурсагенератора плазмы в зависимости от режима работы генератора.

В заключении хотелось бы указать на некоторые возможности по увеличению ресурса и длительности импульса данного генератора плазмы. Со стороны катода, процессы на котором были рассмотрены в главе 2, возможно увеличение толщины стенок внешнего слоя катода из материала с высокой теплопроводностью, т. к. теплопроводность материала катодного узла играет решающую роль в отведении теплоты с катода. Со стороны анода интересными представляются эксперименты с распределённым разрядом, так как они, при сравнительно небольшом ухудшении состава плазмы, позволяют снизить разрядный ток и уменьшить тепловую нагрузку в целом. Необходимы исследования направленные на оптимизацию анодного узла при распределённом разряде.

Список литературы

1) , , “Инжекторы быстрых атомов водорода”, Москва Энергоиздат, 1

2) “Ионные и атомарные пучки для нагрева и диагностики плазмы”, диссертация Новосибирск 1987

3) “Плазменные источники ионов”, Киев 1961 – 220

4) “Физические основы коммутации электрического тока в вакууме,” Москва 1970 – 536

5) “Элементарные процессы в плазме газового разряда”, Москва 1

6) , , “Квазистационарный дуговой генератор плазмы для диагностического инжектора быстрых атомов”, препринт, Новосибирск 2004

7) , , , “Инжектор атомов водорода для активной штарковской спектроскопии плазмы”, препринт, Новосибирск 2003.

8) , , “Сборник задач по математической физике”, физматлит, Москва 2004,

9) , , “Физические величины”, справочник, Москва, Энергоатомиздат 1991

10) Ivanov A. A., Deichuli P. P., Kreter A., Maximov V. V., Podminogin A. A., Shweer B., Shikhovtsev I. V., Stupishin N. V., Uhlemann R., Usoltsev D. V., “Characterization of ion species mix of the textor diagnostic hydrogen beam injector with an rf and arc-discharge plasma box”, препринт, Novosibirsk 2002

11) I. Williams, J. Geddes, H. Gilbody “Balmer α emission in collisions of H, H+, H2+ and H3+ ”, January 1982, Department of Pre and Applied physics, The Queen’s University of Belfast, Belfast, Northern Ireland

12)R Uhlemann, R. S. Hemsworth, G. Wang, H. Euringer “Hydrogen and deuterium ion species mix and injected neutral beam power fractions of the TEXTOR-PINIs for 20-60 kV determined by Doppler shift spectroscopy”, January 1992, Institut fur Plasmaphysik, Forschungszentrum Julich GmbH, Association EUROATOM-KFA

12) P. P. Deichuli, G. F. Abdrashitov, A. A. Ivanov, V. V. Kolmogorov, V. V. Mishagin, G. I. Shul’zhenko and N. V. Stupishin, “Ion source with LaB6 hollow cathode for a diagnostic neutral beam injector”, Review of scientific instruments, Volume 77, Issue 3, Part 2, March 2006.