Исследование эрозии катода в отрицательном коронном разряде

-2-
Оглавление
Введение................................................................ 5
Глава 1. Обзор литературы................................................15
1.1. Общая характеристика отрицательного коронного разряда...............15
1.1.1. Режимы и ВАХ отрицательной короны...........................15
1.1.2. Численные модели импульсов Тричела и безымпульсной отрицательной короны.........................................18
1.1.3. Экспериментальные исследования механизма импульсов Тричела и безымпульсной короны...............................24
1.1.4. Пространственная структура разрядного факела................26
1.1.5. Использование различных материалов катода при исследовании отрицательного коронного разряда......................29
1.2. Нерегулярные явления в отрицательной короне.........................29
1.2.1. Динамика разрядного факела на поверхности катода............30
1.2.2. Формирование эрозионных кратеров............................31
1.2.3. Нерегулярность параметров импульсов Тричела.................31
1.3. Эрозионные процессы на поверхности катода...........................32
1.3.1. Обзор механизмов катодной эрозии в отрицательной
короне.............................................................32
1.3.2. Механизмы эрозии электродов в других типах разрядов: стримерный, искровой разряд, тлеющий разряд, дуговой разряд, положительная корона...............................................36
1.3.3. Электровзрывной механизм эрозии.............................37
1.4. Динамика эрозионных продуктов.......................................39
1.4.1. Формирование наноаэрозоля в отрицательной короне............39
1.4.2. Осаждение продуктов эрозии на катодную поверхность..........39
1.5. Заключение к литературному обзору. Постановка задачи................40
Глава 2. Техника и методика эксперимента.................................42
2.1. Схема экспериментальной установки...................................42
2.2. Электродная система.................................................42
2.3. Система питания.....................................................44
2.4. Система напуска и откачки...........................................46
2.5. Система регистрации электрических характеристик разряда. Методики анализа осциллограмм импульсов Тричела...................................47
2.6. Методика оптической регистрации разряда.............................49
2.7. Измерение удельной скорости эрозии катода...........................50
Глава 3. Исследование влияния динамики привязки разрядного
факела на импульсы Тричела и топографию эрозионной
поверхности............................................................52
3.1. Устойчивый режим разряда. Регулярные импульсы Тричела..............53
3.2. Неустойчивый режим разряда. Нерегулярные импульсы Тричела..........60
3.3. Исследование зависимости амплитуды импульсов Тричела от межимпульсного интервала................................................63
3.4. Стохастический режим разряда. Стохастические импульсы Тричела......68
3.5. Особенности импульсов Тричела на вольфрамовом катоде и
механизм импульса Т ричела..............................................70
3.6. Динамика привязки разрядного факела и топография поверхности в безымпульсном режиме отрицательной короны. Сравнение с импульсным режимом......................................................71
3.7. Основные результаты главы 3........................................74
Выводы к главе 3........................................................77
Глава 4. Исследование механизма эрозии катода........................79
4.1. Топография эрозионной поверхности катодов из меди, графита, вольфрама, алюминия и серебра..........................................79
4.1.1. Эрозия медных катодов......................................79
4.1.2. Сравнение топографии медного катода в результате
эрозии в импульсном и безымпульсном режиме........................86
4.1.3. Эрозия графитовых катодов..................................88
4.1.4. Удельная скорость эрозии графитовых катодов................94
4.1.5. Эрозия вольфрамовых катодов................................96
4.1.6. Роль оксидной пленки на поверхности алюминиевого
катода в формировании эрозионной картины..........................97
4.1.7. Эрозия серебряных катодов..................................99
4.2. Сравнение топографии и удельной скорости эрозии катодов из различных материалов..................................................100
4.3. Обоснование возможности реализации электровзрывного механизма эрозии в отрицательной короне в режиме импульсов
Тричела...............................................................102
4.4. Моделирование температурной динамики катодной поверхности.........104
4.4.1. Оценки тепловой мощности, вкладываемой в поверхность катода.................................................................104
4.4.2. Расчет температуры медного катода диаметром 20 мкм........106
-4-
4.4.3. Расчет температуры графитового катода диаметром 100 мкм 107
4.4.4. Влияние температуры поверхности на величину интеграла удельного действия импульса Тричела.........................108
4.5. Эрозия катода в безымпульсном коронном разряде.....................108
4.6. Результаты исследования рециклинга на катодах из различных материалов..............................................................109
4.6.1. Описание модели рециклинга.................................111
4.6.2. Силы, действующие на кластер...............................111
4.6.3. Тепловые потоки на поверхности кластера...........:........114
4.6.4. Результаты расчета динамики кластеров......................118
4.7. Заключение.........................................................120
Выводы к главе 4........................................................120
5. Заключение...........................................................122
Выводы..................................................................123
Благодарности...........................................................125
Литература............................................................. 126
Введение
Актуальность темы исследований
Объектом исследования в данной диссертации является отрицательный коронный разряд в электродной конфигурации острие-плоскость в воздухе в режиме импульсов Тричела и в безымпульсном режиме. Основной задачей является определение механизма эрозии катода.
Интерес исследования отрицательной короны обусловлены тем, что разряд является источником неравновесной плазмы атмосферного давления, а также источником отрицательных ионов. Отрицательный коронный разряд применяется в электрофильтрах, плазмохимических системах для синтеза озона и обработки поверхностей, системах зарядки аэрозолей. Излучение разряда и генерация ионного ветра используются в газоразрядных лазерах. Исследование коронного разряда необходимо для предотвращения формирования отрицательной короны в системах высоковольтной газовой изоляции, а также предотвращения контрагирования плазмы в прикатодном объеме газоразрядных лазеров.
Несмотря на широкое применение отрицательной короны, нет точных данных о механизме ряда процессов в разряде: так однозначно не установлен механизм импульсов Тричела, механизм эрозии катода, механизм формирования наноаэрозоля в промежутке.
Исследование механизма эрозии катода в отрицательной короне является важным для понимания общей картины процессов, протекающих в отрицательном коронном разряде, включающих в себя процессы в разрядной плазме, газовом промежутке и на поверхности катода.
Актуальность темы исследований обусловлена необходимостью учета эрозионных процессов на катодной поверхности при проектировании газоразрядных устройств, использующих отрицательную корону: электрофильтров, плазмохимических реакторов атмосферного давления, газоразрядных лазеров. Исследование особенностей эрозии катода в отрицательном коронном разряде необходимо для разработки методов улучшения электрохимических и автоэмиссионных свойств поверхностей, а также технологий напыления тонких пленок и генерации потоков наноразмерных аэрозолей. Новые данные по механизму эрозии представляют интерес для развития физики газового разряда и теории нриэлектродных процессов.
-6-
Цель работы
Отрицательный коронный разряд вызывает эрозию поверхности катода. Эрозия катода приводит к удалению поверхностного слоя катодного материала и проявляется в образовании кратеров и трещин микронных размеров, а также в формировании на катодной поверхности наноструктурированных диэлектрических структур и пленок, оплавлению поверхности. В настоящий момент механизм эрозии не установлен - существуют различные гипотезы о причине эрозии. Основной целыо работы является определение механизма эрозии катода в отрицательном коронном разряде. Ставятся следующие задачи:
1. Исследовать динамику привязки разрядного факела па катодной поверхности и установить влияние свойств промежутка (напряжения, межэлектродного расстояния, давления воздуха, кривизны катода) на амплитуду импульсов Тричела и межимпульсный интервал. Результаты микровидеосъемки разрядного факела и электрической регистрации разряда сопоставить с результатами топографического анализа эрозионной поверхности.
2. Исследовать топографию эрозионной поверхности катодов из различных материалов (Си, Ag, С, XV, А1), в импульсном и безымпульсном режиме разряда.
3. На основе результатов измерения параметров импульсов Тричела и топографического анализа поверхности установить механизм эрозии катода.
4. Исследовать процесс рециклинга катодного материала.
Используемые методы исследований
Отрицательный коронный разряд исследовался в воздухе в электродной конфигурации острие-плоскость в режиме импульсов Тричела и в безымпульсном режиме. Во время разряда проводилась регистрация электрических характеристик разрядного тока с наносекундным разрешением и синхронная фронтальная и боковая микровидеосъемка разрядного факела и катода с пространственным разрешением 1 мкм. Катоды изготавливались из материалов, существенно различающихся по своим электрическим и термодинамическим свойствам (температура плавления, критическое значение
-7-
величины интеграла удельного действия, возможность формировать диэлектрические пленки и др.) - меди, графита, алюминия, вольфрама, серебра. При изготовлении катодов использовались методики химического и электрохимического травления поверхности.
Проводился топографический анализ поверхности катодов при помощи растровой электронной и оптической микроскопии с разрешением 10 им, а также компонентный анализ с разрешением 0,1 ат.% - использовались методики исследования поверхности во вторичных и упругоотраженных электронах, а также анализ рентгеновского характеристического излучения.
С целью исследования процесса рециклинга (осаждения продуктов эрозии на катодной поверхности) проводился численный расчет динамики продуктов эрозии катода в межэлектродном промежутке.
Научная новизна
1. Обнаружено соответствие между электрическими характеристиками отрицательного коронного разряда, динамикой привязки разрядного факела и свойствами поверхности. Установлено три режима импульсов Тричела: устойчивый, неустойчивый и стохастический. Устойчивый режим импульсов Тричела реализуется в случае катодов диаметром острия менее 20 мкм, в случае оплавления поверхности, или в случае стабильной привязки разрядного факела на катодной поверхности. Неустойчивый режим наблюдается на катодах диаметром острия более 40 мкм, или при частичном окислении поверхности.
2. Установлено независимое влияние параметров промежутка (напряжения, давления, расстояния, диаметра острия катода) и кривизны острия в области локализации привязки разрядного факела на амплитуду импульсов Тричела и межимпульсный интервал. Увеличение напряжения, уменьшение межэлектродного расстояния, уменьшение давления, уменьшение диаметра катодного острия, а также увеличение кривизны поверхности в области локализации привязки разрядного факела вызывает уменьшение межимпульсного интервала и приводит к уменьшению амплитуды импульсов Тричела.
3. Обнаружено, что минимальный размер эрозионного кратера на поверхности катода в отрицательном коронном разряде в режиме импульсов Тричела составляет 40 нм в случае меди и 80 нм в случае
-8-
графита. Показано, что кратеры микронных размеров формируются в результате многократного воздействия разряда при неизменном положении области привязки разрядного факела.
4. Исследована топография эрозионной поверхности графитовых и медных катодов в безымпульсном режиме отрицательного коронного разряда. Обнаружено, что в безымпульсном режиме кратеры микронных размеров объединены в эрозионные следы шириной 1 мкм и длиной 10 мкм.
5. Обнаружено осаждение продуктов эрозии медного катода на катодной поверхности в виде нанокристаллов Си02. Длина кристаллов 1-10 мкм, толщина 1-100 им.
Научная и практическая ценность
Полученные результаты исследования импульсов Тричела, эрозии катода и рециклинга эрозионного материала могут быть использованы при разработке газоразрядных устройств и технологий, использующих отрицательную корону: электрофильтров, плазмохимических реакторов. Измеренные зависимости амплитуды импульсов Тричела и межимпульсного интервала позволяют проектировать газоразрядную установку с заданными наперед параметрами разряда. Результаты измерения удельной скорости эрозии позволяют прогнозировать ресурс электродов и выбирать наиболее подходящий материал для изготовления электродов. Результаты исследования эрозии и рециклинга эрозионного материала полезны для контроля чистоты газоразрядного промежутка и в технологиях генерации пучков нанодисперсных аэрозолей. Данные по механизму эрозии представляют интерес для физики приэлектродных процессов и физики взаимодействия плазмы с поверхностью.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
1) Результаты экспериментального исследования режимов импульсов Тричела и связи режимов разряда с динамикой привязки разрядного факела, свойствами и топографией эрозионной поверхности катода.
2) Результаты исследования параметров импульсов Тричела для катодов, изготовленных из меди, графита, вольфрама, алюминия и серебра при варьировании диаметра острия катода от 20 мкм до 2 мм, давления
-9-
воздуха от 40 до 100 кПа, напряжения от 8 до 15 кВ, межэлектродного расстояния от 10 до 40 мм.
3) Результаты исследования топографии эрозионной поверхности катодов в режиме импульсов Тричела и безымпульсном режиме разряда.
4) Вывод о том, что основным механизмом эрозии катода в отрицательном коронном разряде является электровзрывной механизм.
5) Результаты исследования рециклинга эрозионного материала.
Краткое содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 137 страницах текста, содержит 73 рисунка и 9 таблиц. Список литературы насчитывает 110 наименований.
В первой главе представлен литературный обзор. Рассматриваются режимы и ВАХ отрицательной короны, численные модели и результаты экспериментальных исследований импульсно-периодического и безымпульсного режима разряда, пространственная структура разрядного факела. Также рассматриваются нерегулярные явления на катодной поверхности - динамика привязки разрядного факела, нерегулярность эрозионной картины и параметров импульсов Тричела. Приведен краткий обзор возможных механизмов катодной эрозии в отрицательном коронном разряде, а также в других разрядах — стримерном, искровом, дуговом, тлеющем и в положительной короне. Приведены основные положения теории электровзрыва проводников. Также рассматриваются современные представления о составе и динамике эрозионных продуктов в электродном промежутке. Завершается литературный обзор постановкой задачи исследований.
Во второй главе описана экспериментальная установка и применяемые методики. Разряд исследовался в воздухе в электродной конфигурации острие-плоскость. Установка состояла из электродной системы, системы высоковольтного питания, системы регистрации электрических характеристик разряда, системы напуска и откачки воздуха, системы микровидеосъемки разряда.
Катоды в виде острий изготавливались из Си, \У, С, А1, Ag путем механической обработки проволок и стержней диаметром от 20 мкм до 2 мм. Материалы подбирались таким образом, чтобы их свойства максимально различались (температура плавления, критическая величина интеграла
- 10-
удельного действия и др.). Катоды из меди полировались при помощи химической обработки в разбавленном растворе шестихлорного железа и при помощи электрохимической обработки в ортофосфорной кислоте. Вольфрамовые катоды изготавливались из спеченного вольфрама. Графитовые катоды изготавливались из электродного графита С-3 с характерным размером зерна 1 мкм. С поверхности алюминиевых катодов оксидная пленка не удалялась. В качестве анода использовалась медная пластина. Межэлектродное расстояние варьировалось в пределах 10-40 мм.
В качестве высоковольтного источника напряжения использовался источник БПМ-52. Напряжение положительной полярности подавалось на анод, катод был заземлен. Источник питания снабжен высоковольтным конденсатором емкостью 0,1 мкФ и микросекундным выключателем. Использование микросекундиого выключателя напряжения позволяет избежать влияние плавного изменения напряжения на параметры разряда, и, следовательно, на характер эрозии. Напряжение измерялось высоковольтным электростатическим вольтметром С-196, а средний ток разряда -микроамперметром М-906.
Электродная система располагалась в разрядной камере объемом 8 дм3. Для откачки и напуска воздуха, а также контроля давления, использовался вакуумный пост ВУП-4, присоединенный к разрядной камере.
Осциллографирование разрядного тока проводилось при помощи осциллографа С1-75 с рабочей полосой 250 МГц. Проводилась видеосъемка экрана осциллографа при помощи видеокамеры Canon w705i - 25 кадров в секунду, время экспозиции отдельного кадра от 0,5 до 40 мс. Нагрузочное сопротивление 50 Ом было включено межу катодом и землей. Осциллографироваиие проводилось в режиме непрерывной развертки, а также в режиме разового запуска осциллограммы.
Проводилась фронтальная и боковая микровидеосъемка катодного острия с пространственным разрешением 1 мкм при помощи телемикроскопа МБС-12. Расстояние от объектива микроскопа до катода 30 - 50 мм в зависимости от увеличения. Видеосъемка проводилась при помощи камеры Canon w705i. Длительность экспозиции отдельного кадра от 0,5 до 40 мс.
После разряда катоды исследовались при помощи растровых электронных микроскопов FE1 Quanta 200 и Jeol JSM-840. Проводился топографический анализ поверхности с разрешением не хуже 10 нм и компонентный анализ поверхности с разрешением 0,1 ат.%.
-11 -
Удельная скорость эрозии измерялась путем сравнения снимков катода, выполненных до и после разряда.
В третей главе представлены результаты исследования влияния динамики привязки разрядного факела на импульсы Тричела и топографию эрозионной поверхности. Разряд в импульсно-периодическом и безымиульсном режиме исследовался на катодах, изготовленных из меди, графита, вольфрама и алюминия. Исследована форма импульса Тричела для \У катода.
Установлено, что импульсно-периодическая корона реализуется в одном из трех режимов: устойчивом, неустойчивом или стохастическом.
Устойчивый режим разряда характеризуется неизменным значением амплитуды импульсов Тричела и межимпульсного интервала. Устойчивый режим реализуется, если диаметр катода менее 20 мкм, или происходит оплавление поверхности, или если разрядный факел локализован на катодной поверхности в малой области размером порядка 1x1 мкм. В области локализации разряда формируется кратер размером ~1 мкм.
Неустойчивый режим разряда является последовательностью быстро сменяющихся устойчивых режимов, каждый из которых характеризуется своим значением амплитуды импульсов Тричела и межимпульсного интервала. При этом длительность каждой из устойчивых последовательностей менее 10 мс. Неустойчивый режим реализуется на катодах диаметром более 40 мкм, или в случае частичного окисления катодной поверхности. При этом на поверхности катода формируются эрозионные кратеры различных размеров - от 40 нм до 10 мкм.
В стохастическом режиме разряда амплитуда импульса Тричела и межимпульсный интервал, а также положение привязки разрядного факела на катодной поверхности, меняются после каждого импульса. При этом амплитуда импульса не зависит от межимпульсного интервала. Стохастический режим реализуется в случае алюминиевых катодов, покрытых диэлектрической оксидной пленкой.
Результаты осциллографирования разрядного тока, представленные в виде графиков зависимости амплитуды импульсов Тричела от межимпульсного интервала, демонстрируют независимое влияние динамики привязки разрядного факела на катодной поверхности и свойств разрядного промежутка на амплитуд}' импульсов Тричела и межимпульсный интервал.
В случае вольфрамовых катодов обнаружено, что начальная фаза импульса Тричела не зависит от положения привязки разряда на катодной