РАЗДЕЛ 2
Разработка термоэмиссионных материалов для
высокоресурсных катодных узлов
2.1. Условия работы термокатодов электродуговых плазмотронов и требования к
разрабатываемым эмиссионным материалам
В современных исследованиях, посвященных анализу дуг с термоэмиссионными
катодами, обычно применяют модель прикатодной области, состоящую из нескольких
слоев [78, 86]. Наиболее часто применяется двухслойная модель. Величина первого
слоя от поверхности катода меньше длины свободного пробега ионов и электронов
(см. рис. 2.1). В нем из-за малой подвижности ионов и относительно большой доли
ионного тока возникает избыточный положительный пространственный заряд, который
приводит к формированию скачка потенциала у поверхности катода.
Рис. 2.1. Распределение параметров плазмы в прикатодной области: j, je, ji –
полный, электронный и ионный ток; ni, ne – концентрация ионов и электронов
Второй слой разделяет первый слой и столб дуги. В нем происходит интенсивное
образование заряженных частиц за счет энергии, приобретенной электронами в
первом слое. Во втором слое выполняется условие квазинейтральности плазмы, для
первого оно несправедливо.
В сторону катода из прикатодной области движутся ионы и обратные электроны.
Ионы ускоряются полем и при достижении поверхности катода нейтрализуются на
ней. Ионная бомбардировка поверхности катода вызывает его интенсивный нагрев.
Кроме того, при высокой энергии ионов происходит распыление вещества с
поверхности катода. Влияние обратных электронов на процессы, происходящие на
поверхности катода менее значительно. Из-за тормозящего влияния поля до
поверхности доходит лишь небольшая их часть, обладающая достаточной энергией.
От катода в прикатодную область движутся эмитированные электроны и атомы,
испарившиеся или выбитые с поверхности ионной бомбардировкой. Атомы, попадая во
второй слой, ионизируются. За счет того, что потенциал ионизации у материалов
катода значительно меньше, чем у плазмообразующих газов, степень ионизации
атомов, попавших в прикатодную область с эмитирующей поверхности, может
достигать 1. В этом случае наблюдается явление рециклинга [33, 86], когда у
поверхности образуется своего рода «кипящий» слой атомов катодного материала, а
эрозия в месте привязки дуги минимальна.
Таким образом, процессы в прикатодной области существенно зависят от свойств
поверхности и материала катода, его геометрии и условий охлаждения. Применение
эмиссионного материала с большей работой выхода приведет к тому, что для
обеспечения необходимого тока эмиссии поднимется температура поверхности
катода. Таким образом, эмиссионные свойства материала непосредственно влияют на
величину тепловых потоков в катод и определяют его тепловое состояние. В
конечном счете, это влияет на скорость испарения материала катода, т.е. на его
ресурс. В таблице 2.1 описана связь между катодными и эрозионными процессами, а
также свойствами материала катода, непосредственно влияющими на эти процессы.
Таблица 2.1
Взаимосвязь катодных и эрозионных процессов
Катодные процессы
Эрозионные процессы
Определяющие свойства материала катода
Испускание поверхностью электронов и атомов, аккомодация атомов и ионов
Испарение, окисление, распыление ионной бомбардировкой
Работа выхода, стойкость к ионной бомбардировке, стойкость к отравляемости
Нагрев катода за счет объемных и поверхностных тепловых источников,
рекристаллизация, диффузия присадок
Изменение структуры материала, термоотколы, капельная эрозия, испарение
Теплопроводность, электропроводность,
коэффициент диффузии
Химические реакции при контакте с атмосферным воздухом
Окисление, гидролиз
Стойкость
к отравляемости
Условия работы термоэмиссионных катодов в составе оборудования для плазменной
обработки существенно отличаются от условий, реализующихся при работе в составе
изделий вакуумной электроники или изделий космического применения. Это особенно
ярко проявляется для плазменного оборудования, работающего с выбросом плазмы в
атмосферу. Работа такого оборудования предполагает возможность диффузии
кислородосодержащих газов в прикатодную область. Кроме того, если не
предпринимать специальных конструктивных решений, при выключении плазменного
генератора неизбежно происходит контакт поверхности катода с атмосферным
воздухом. Поэтому первым из требований к эмиссионным материалам,
предназначенным для изготовления катодных узлов оборудования для плазменной
обработки, является минимальная работа выхода при высокой стойкости к
отравлению. Как было указано в разделе 1, материал должен обеспечивать
плотность тока эмиссии в пределах 5…20 А/см2 и сохранять работоспособность при
парциальном давлении кислородосодержащих газов вплоть до 10-3 Па. На основании
этих данных можно в первом приближении оценить уровень рабочей температуры
катода исходя из следующих соображений.
Плотность тока эмиссии может быть определена на основании Ричардсона-Дешмана:
, (2.1)
где А0 – постоянная Ричардсона; – эффективная работа выхода электрона; k –
постоянная Больцмана.
В работе [80] на основании данного уравнения получены зависимости плотности
тока эмиссии катодов с различной работой выхода от температуры (рис. 2.2).
Согласно этим данным для обеспечения плотности токов более 5 А/см2 для
материалов с работой выхода j >2,25 эВ рабочая температура катода должна
составлять более 1480 К (рабочая зона выделена).
Кроме того, материал эмиттера должен иметь стабильные свойства в течение
длительной эксплуатации при рабочей температуре. Это требование связано в
основном с тем, что структура эмиттера термокатода должна обеспечивать
требуемую скорость диффузии п