Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. В.Н. КАРАЗІНА

УДК 533.9: 537.525: 537.534

ОСОБЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ЗВОРОТНИХ СОРБЕНТІВ ВОДНЮ В ПЛАЗМОВИХ ДЖЕРЕЛАХ ПОЗИТИВНИХ

ТА НЕГАТИВНИХ ІОНІВ

01.04.08 - фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Середа Ігор Миколайович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики плазми Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат фізико - математичних наук, доцент

Бориско Володимир Миколайович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна МОН України, доцент кафедри фізики плазми.

Офіційні опоненти: доктор фізико - математичних наук, професор

Бастєєв Андрій Володимирович, Харківський національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” МОН України, професор кафедри 205;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Тарасов Ігор Кузьмич, Інститут фізики плазми ННЦ ХФТІ НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Науковий центр “Інститут ядерних досліджень НАН України”, м. Київ.

Захист відбудеться 93.03. 2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна, за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова 31, аудиторія №301.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, площа Свободи, 4.

Автореферат розісланий 02.02. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Письменецький С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток багатьох новітніх напрямків розвитку технологій та науки, таких як нанотехнології в електроніці, створення нових наноматеріалів, дослідження у галузях матеріалознавства, ядерної фізики, керованого термоядерного синтезу і таке інше, пов'язано з використанням пучків іонів водню. Найбільш ефективним методом одержання іонних пучків є вилучення їх з плазми. Іонний пучок в плазмових джерелах формується шляхом вилучення заряджених частинок з поверхні плазми за допомогою електродів, які виконують функцію іонно-оптичної системи. Емісійні властивості плазмової поверхні та параметри створеного пучка залежать від багатьох умов. Найбільш важливими з них є густина плазми, температура її компонентів, форма та площа плазмової поверхні поблизу емісійного вікна плазмового джерела, розподіл і напруженість електричного поля у проміжку між емісійним вікном та електродом, який здійснює витягування іонів з плазми. Подальше вдосконалення плазмових джерел іонів водню пов'язане з пошуком раціональних способів створення плазми з високою концентрацією іонів і методів формування іонних пучків із заданими складом іонів, розподілом за енергією заряджених частинок та густиною струму пучка [Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. -М.: “Атомиздат”. -1972, -С. 304]. У розв'язані цих завдань визначальними є фізичні процеси, що відбуваються у плазмі джерела.

Перспективним напрямком у розвитку плазмових джерел іонів водню, є дослідження плазми у розрядах з металогідридними електродами. У таких джерелах гідриди металів виконують функції електродів і твердотільних генераторів робочого газу [Шмалько Ю.Ф. и др. Вопр. атомн. науки и техники. -Серия “Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент)”. -1994. -Вып. 1(27). -С. 13 - 19.]. Використання з цією метою гідридів гетерних матеріалів системи Zr-V і Zr-V-Fe, які здатні зворотно поглинати водень низького тиску, дозволяє створювати прості за конструкцією та надійні в експлуатації плазмові джерела позитивних та негативних іонів водню. Такі джерела знаходять широке застосування у генераторах нейтронів, інжекторах швидких атомів водню, в дослідженнях з керованого термоядерного синтезу, створенню нових технологій обробки і модифікації поверхні напівпровідникових і діелектричних матеріалів пучками нейтральних атомів або негативних іонів водню.

В середині 90-х років були розпочаті дослідження з виявлення особливостей застосування таких сполук в якості матеріалів електродів для розрядів у схрещених ЕЧН полях. Цей тип розряду набув найбільш поширеного застосування у різних галузях науки й техніки. Перші дослідження виявили ряд переваг використання таких електродів у джерелах негативних іонів водню на основі таких розрядів, що пов'язано, на думку авторів, зі збільшенням перерізу дисоціативного прилипання за рахунок десорбції молекул у термодинамічно нерівноважному стані [Shmal'ko Yu.F. et. al. Int. I. Hydrogen energy. -1996. -V. 21. -P. 1057 - 1059]. Але результати цих досліджень мають попередній характер і не дозволяють повністю виявити фізичні процеси, які відповідають за підвищення виходу іонів Н- з таких джерел. У літературі повністю відсутні дані стосовно використання таких сполук в якості матеріалів порожнистих катодів газових розрядів й електродів у плазмових джерелах позитивних іонів водню.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень дисертаційної роботи пов'язаний з виконанням фундаментальних науково-дослідних робіт, які проводилися на кафедрі фізики плазми Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за темою “Комплексні дослідження пучків заряджених частинок та їх взаємодії з речовиною для створення новітніх технологій”, реєстраційний номер №0103U004200 (2002-2004 р.).

Мета й задачі досліджень. Метою досліджень є експериментальне визначення фізичних процесів, що протікають у плазмі відбивного розряду з металогідридними катодами й виявлення особливостей механізмів утворення позитивних та негативних іонів водню. Конкретними задачами досліджень є: (1) визначення впливу металогідридних плоского й порожнистого катодів на характеристики відбивного розряду, а також виявлення впливу плазми розряду на газо-емісійні властивості таких електродів; (2) з'ясування можливостей застосування металогідридів в якості катодів у плазмових джерелах позитивних іонів водню й знаходження методів керування енергетичними спектрами пучків позитивних іонів водню, що витягаються; (3) виявлення особливостей механізмів утворення негативних іонів водню в плазмі відбивного розряду з металогідридним катодом.

Об'єктом дослідження є фізичні процеси, що протікають у плазмі джерел позитивних і негативних іонів водню на основі відбивного розряду з металогідридними катодами.

Предметом дослідження є параметри плазми й розрядні характеристики відбивного розряду з металогідридними плоским і порожнистим катодами та їх залежність від ступеня насиченості воднем матеріалу катодів, а також характеристики плазмових джерел іонів водню на базі розряду з осцилюючими електронами.

Методи досліджень. Основними методами досліджень параметрів плазми та пучків іонів були зондові методики. Як датчики використовувалися ленгмюрівські циліндричні зонди, циліндри Фарадея й багатосітчаті електростатичні енергоаналізатори, які містилися як усередині, так і поза об'ємом плазми джерела іонів водню на основі відбивного розряду.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше експериментально показано, що стимульована десорбція водню, яка обумовлена іонним бомбардуванням поверхні металогідридного катоду, дозволяє підвищити вихід іонів Н- із відбивного розряду з металогідридним катодом.

2. Вперше експериментально виявлено збільшення густини плазми на осі відбивного розряду у випадку застосування повністю насиченого плоского металогідридного катоду. Показано, що дане явище обумовлене десорбцією водню з металогідриду під впливом іонного бомбардування його поверхні.

3. Вперше експериментально встановлено зменшення енергії позитивних іонів водню, що витягаються в аксіальному напрямку з відбивного розряду з металогідридним катодом, у порівнянні з розрядом, катоди якого не містять гідридних фаз.

4. Вперше експериментально показано, що при використанні металогідриду в якості матеріалу порожнистого катоду, перехід до режиму порожнистого катоду відбувається при менших розрядних напругах, ніж у випадку застосування матеріалу катода, що не містить гідридних фаз.

Практичне значення одержаних результатів. Сукупність одержаних експериментальних даних дозволяє відтворити цілісну картину елементарних процесів іоноутворення, які протікають у плазмі відбивного розряду з металогідридним катодом. Одержані результати також необхідні для створення принципово нових конструкцій плазмових джерел іонів водню, які мають поліпшені експлуатаційні характеристики.

Результати досліджень впливу ступеня насиченості металогідридного катоду на параметри плазми й розрядні характеристики плазмо-утворюючого проміжку джерела іонів водню можуть послужити основою для розробки ефективних плазмових джерел іонів водню.

Результати досліджень особливостей механізмів утворення негативних іонів по механізму дисоціативного прилипання в плазмі відбивного розряду з металогідридним катодом необхідні для створення ефективних плазмових джерел іонів Н- нового типу.

Обґрунтованість і вірогідність одержаних результатів обумовлена

використанням добре вивчених й апробованих експериментальних методик і діагностичного обладнання. Зроблені висновки й проведені оцінки узгоджуються з теоретичними та експериментальними результатами, які були отримані раніше іншими авторами. Всі одержані результати також відповідають загальним положенням сучасної фізики плазми, фізики пучків

заряджених частинок і теоретичної фізики.

Особистий внесок здобувача складався з практичної реалізації експериментальних методик, проведення вимірювань, розробці й виготовленні експериментального обладнання. У роботи, опубліковані за темою дисертаційної роботи, здобувач особисто зробив такі внески:

У роботі [1] здобувач експериментально досліджував нестаціонарні процеси, які відбуваються при взаємодії плазми відбивного розряду з поверхнею насиченого воднем металогідридного катоду. Здобувачем показано, що застосування металогідридів у якості катодів розряду дозволяє значно знизити теплові навантаження на такі матеріали.

У роботі [2] здобувачем проведені дослідження впливу різних способів напуску водню на вихід іонів Н- з відбивного розряду з металогідридним катодом поперек силових ліній зовнішнього магнітного поля. Здобувачем показано, що у випадку внутрішнього напуску водню під впливом іонного бомбардування поверхні металогідридного катоду відбувається істотне збільшення виходу іонів Н-.

У роботі [3] здобувач експериментально досліджував вплив ступеня насиченості воднем, що наближався до максимального, металогідридного плоского катода на радіальні розподіли параметрів плазми розряду Пенінга біля металогідридного катоду. Здобувачем показано, що в цьому випадку відбувається істотне збільшення густини плазми на осі розряду поблизу металогідридного катоду.

У роботі [4] здобувач експериментально досліджував розрядні характеристики відбивного розряду з металогідридним порожнистим катодом. Здобувачем показано, що напруга переходу до режиму металогідридного порожнистого катоду нижча, ніж для катоду, виготовленого з матеріалу, що не містить гідридних фаз.

У роботі [5] здобувачем проведені експериментальні дослідження впливу десорбованого з металогідридного катоду водню на характеристики плазмо-утворюючого проміжку джерела іонів водню на базі розряду низького тиску в схрещених ЕН полях. Здобувачем встановлено взаємозв'язок між стимульованою десорбцією водню з металогідридного катоду та характеристиками розряду.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли до дисертаційної роботи, доповідалися на наступних конференціях і семінарах:

XXV ICPIG International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Nagoya, Japan, 2001; 29th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. Montreux, Switzerland, 2002; International workshop on “Hydrogen Isotopes in Fusion Reactor Material”. Tokyo, Japan, 2002; 30th EPS Conference on Plasma Phys. and Contr. Fusion. St. Petersburg, Russia, 2003; XVII Міжнародний семінар по прискорювачах заряджених часток. Алушта, Крим, 2003; VIII Interstate Workshop "Plasma electronics and new acceleration methods". Kharkov, Ukraine, 2003; 10th International conference and Plasma Physics and Controlled Fusion, Alushta (Crimea), Ukraine, 2004; International Symposium on MH system. Fundamentals and applications. Krakov, Poland, 2004; Int. Conf. PLASMA-2005. Opole-Turawa, Poland, 2005; IX Int. Conf. of Hydrogen Materials Science. Sevastopol (Crimea), Ukraine, 2005.

Публікації. В основу дисертації увійшли 5 статей, які опубліковані в наукових журналах [1 - 5].

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновку й списку літератури. Повний об'єм дисертації становить 125 сторінок, 43 рисунка й 2 таблиці, які перебувають на цих сторінках. Список використаних літературних джерел нараховує 140 найменувань.

У вступі показана актуальність проблеми, викладена мета роботи, сформульовані основні питання, які є предметом досліджень, відзначається зв'язок роботи з тематикою досліджень, проведених на кафедрі фізики плазми Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, наведені основні положення, що виносяться на захист, показана наукова новизна одержаних результатів та їх практичне значення.

У першому розділі проведено огляд літературних даних, що стосуються застосування металогідридів у системах газового живлення вакуумно-плазмових установок, а також в якості електродів газових розрядів низького тиску в схрещених ЕЧН полях. На базі аналізу сучасного стану досліджень джерел позитивних і негативних іонів на основі розряду з осцилюючими електронами сформульовані передумови, що дозволяють підвищити ефективність роботи таких пристроїв. Розділ завершується постановкою мети дослідження у рамках даної дисертаційної роботи.

Другий розділ містить опис експериментальної установки, систем розрядних електродів, методик вимірювань й умов проведення експериментів.

У п. 2.1 описана конструкція й параметри експериментальної установки, на якій проводилися дослідження.

У п. 2.2 наведено опис конструкцій систем розрядних електродів, які застосовувалися в експериментах. У якості плазмо-утворюючого проміжку джерела позитивних іонів водню використовувалась пенінгівська система розрядних електродів з холодними металогідридними катодами й пенінгівська система розрядних електродів з металогідридним порожнистим катодом. В експериментальних дослідженнях, пов'язаних із джерелами негативних іонів водню застосовувалася пенінгівська система з катодом, що розжарюється, і холодним металогідридним катодом.

Система електродів розряду Пенінга з холодними катодами кріпилася усередині кварцового циліндру довжиною 160 мм і внутрішнім діаметром 36 мм (рис. 1). Анодний і катодний електроди були виготовлені з нержавіючої сталі із внутрішнім діаметром 30 мм. Довжина аноду становила 20 мм. Проміжки між анодом і катодами становили 20 мм. Торець одного з катодів, звернений до аноду, був закритий пластиною, що виготовлялась з нержавіючої сталі або з міді. У торці другого катоду, зверненого до аноду, розташовувався металогідридний елемент. Останній представляв собою таблетку діаметром 20 мм і товщиною 5 мм, що пресувалася з порошку насиченого воднем гетерного гідридо-утворюючого сплаву сполуки Zr₅₀V₅₀H_x, змішаного з тепло - та електропровідним наповнювачем (мідний порошок у кількості 40 мас. %). Початкова насиченість воднем металогідриду становила 229 см³ водню на 1 г вихідного сплаву при нормальних умовах, що відповідало концентрації водню в гідриді атомному відношенню “водень / метал” H/M = 1,532. В експериментах використовувалися металогідридні електроди як зі ступенем насиченості, що наближався до максимального, так і з 50% початковою насиченістю (H/M = 0,65). Температура металогідридного елемента контролювалася хромель-алюмелевою термопарою. В контрольних експериментах металогідридний катод замінювався на мідний. Вся система електродів розміщувалася в однорідному аксіальному зовнішньому магнітному полі, що могло змінюватися в діапазоні Н = 0 - 1 кЕ. На анод подавався позитивний потенціал. Експерименти проводилися в стаціонарному режимі горіння розряду при тиску водню в діапазоні Р = 5·10^-5 - 3·10^-4 Торр, анодній напрузі U_a = 0,5 - 3,5 кВ і розрядних струмах I_p = 0,1 - 10 мА.

Схема електродів відбивного розряду з порожнистим металогідридним катодом зображена на рис. 2. Конструкція й розміри розрядного проміжку в цьому випадку були аналогічними тим, що описуються вище (рис. 1), за винятком того, що в якості одного з катодів використовувалася система електрично ізольованих один від одного п'яти дискових електродів із отвором по центру 6 мм, які формували геометрію секціонованого порожнистого катоду (рис. 2). Ці електроди кріпилися на одній осі й були електрично розділені за допомогою керамічних вставок товщиною 1 мм. Електроди порожнистого катоду були виготовлені з насиченого воднем гетерного сплаву Zr₅₀V₅₀H_x зі ступенем насиченості воднем, що наближався до максимального. Конструктивне виконання порожнистого катоду дозволяло подавати різні потенціали на його секції, а також забезпечувати зовнішній напуск водню безпосередньо через порожнину, або в газорозрядний проміжок. У порівняльних експериментах використовувався мідний порожнистий катод таких же розмірів і конструкції. Експерименти проводилися в стаціонарному режимі горіння розряду при тиску водню в діапазоні Р = 4·10^-4 - 4·10^-3 Торр, анодній напрузі U_a = 0,1 - 3 кВ і розрядних струмах I_p = 1 - 120 мА.

Рис. 1 Схема електродів розрядного проміжку Пенінга з холодними катодами.

Рис. 2 Схема електродів розрядного проміжку Пенінга з порожнистим катодом.

Система розрядних електродів об'ємного джерела іонів Н- являла собою проміжок Пенінга з металогідридним електродом. Схема електродів розряду наведена на рис. 3. Конструкція й розміри електродів розряду в цьому випадку були аналогічними описаним вище (рис. 1), за винятком того, що в даних експериментах міг використовуватися катод, що розжарюється, для створення електронного пучка. Від розрядного проміжку катод був відділений діафрагмою з молібдену із отвором у центрі діаметром 6 мм. Ця діафрагма одночасно могла виконувати роль відбивного електроду розряду Пенінга й витягуючого електроду для електронної гармати з катодом, що розжарюється. На цей катод подавався потенціал U = -300 В відносно відбивних катодів, які перебували під потенціалом землі. Струм розжарення міг змінюватися в межах 1 - 10 А. Конструктивне виконання електродної системи забезпечувало можливість опромінення електронним або іонним пучками поверхні металогідридного електроду, а також забезпечувало можливість використання металогідридного електроду в якості електростатичного дзеркала для електронів первинного пучка шляхом подачі такого негативного потенціалу, що точка повороту електронних траєкторій лежала б поблизу поверхні металогідриду.

Рис. 3 Схема розрядних електродів об'ємного джерела іонів Н-.

Нагрівання металогідридного катоду здійснювалося за допомогою нагрівача. Температура металогідриду контролювалася хромель-алюмелевою термопарою. Поряд з можливістю керованого напуску водню шляхом примусового нагрівання металогідридного електроду нагрівачем, також була передбачена можливість напуску водню з балону або з використанням металогідридної системи зовнішнього напуску. Струм негативних іонів вимірявся за допомогою аналізатора негативних іонів поперек силовим лініям зовнішнього магнітного поля. Дослідження проводилися при тиску водню Р = 2·10^-5 - 0,07 Торр.

У п. 2.3 описуються воднево сорбційні характеристики металогідридного електроду, який застосовувався в експериментах. Приводяться криві термодесорбції водню з гідрованого зразка Zr₅₀V₅₀H_x з різними початковими концентраціями водню у сплаві.

У п. 2.4 описані основні методики досліджень. Стаціонарні параметри плазми визначалися стандартною зондовою методикою. Осі циліндричних електродів зонду були орієнтовані перпендикулярно силовим лініям зовнішнього магнітного поля. Енергетичні спектри потоків заряджених частинок, що витягаються в аксіальному напрямку, досліджувалися за допомогою багатосітчатих електростатичних енергоаналізаторів, які розташовувалися за отвором у центрі катодів діаметром 6 мм. Аналіз енергетичних спектрів проводився методом затримуючого потенціалу. Аналізатор негативних іонів був виготовлений із фторопластового циліндру з внутрішнім діаметром 10 мм. Сітка, що витягує, коефіцієнт прозорості якої становив 0,75, кріпилася до зовнішнього краю циліндричного електроду, що був виготовлений з нержавіючої сталі з внутрішнім діаметром 10 мм і довжиною 7 мм, та служила одночасно електродом, який витягує негативні іони. Аналізатор негативних іонів встановлювався поблизу металогідридного елемента так, щоб його вісь була орієнтована перпендикулярно силовим лініям магнітного поля. Відстань від краю електрода, що витягує, до колектора становила 10 мм. Площа колектора становила 0,78 см². На електрод, що витягує, подавався потенціал U = 0,3 - 1 кВ. Електрони, які потрапляють на колектор разом з негативними іонами, що витягаються, відхилялися поперечним магнітним полем і збиралися на внутрішній поверхні циліндричного електроду. Струм цих електронів на колектор визначався при використанні робочого газу аргону, який не утворює негативних іонів.

Третій розділ присвячений дослідженню впливу металогідридних (Zr₅₀V₅₀H_x) електродів на характеристики плазмо-утворюючого проміжку джерела іонів водню пенінгівського типу.

У п. 3.1 описуються особливості роботи відбивного розряду з металогідридним катодом залежно від ступеня насиченості його матеріалу воднем. Показано, що зі збільшенням ступеня насиченості плоского металогідридного катоду потрібні більш високі анодні напруги для стабільної роботи розряду. Також встановлено, що збільшення ступеня насиченості металогідридного катоду воднем призводить до збільшення густини плазми на осі відбивного розряду поблизу такого катоду. Густина плазми на осі системи поблизу металогідридного катоду зі ступенем насиченості, що наближався до максимального, була на порядок величини більше, ніж у випадку контрольного експерименту й становила n ~ 2·10¹⁰ см^-3. Радіальні профілі температури електронів і плазмового потенціалу при цьому істотно не змінювалися.

В п. 3.2 описуються теплові режими роботи металогідридного катоду в умовах взаємодії його поверхні з водневою плазмою розряду. Виявлено вповільнення темпу росту температури металогідридного катоду. Даний ефект досягається завдяки десорбції водню з такого катоду, оскільки основна частина (до 70%) теплової потужності, що виділяється на катоді, витрачається на генерацію плазмо-утворюючого газу за рахунок розкладання гідридних фаз матеріалу катоду внаслідок ендотермічної реакції. Це дозволяє значно знизити теплові навантаження на такі матеріали.

В п. 3.3 досліджуються особливості роботи металогідридного порожнистого катоду у відбивному розряді у двох режимах зовнішнього газопостачання: через порожнину катоду й у газорозрядний проміжок. Перехід до режиму металогідридного порожнистого катоду в обох випадках відбувається при менших розрядних напругах, ніж при використанні матеріалу, що не містить гідридних фаз. Досліджено способи керування режимами збудження ефекту металогідридного порожнистого катоду. Подача негативного зміщення на металогідридний порожнистий катод приводить до зменшення напруги збудження ефекту порожнистого катоду. Характер розподілу струму по секціях катоду при цьому змінюється. У випадку металогідридного порожнистого катоду збільшення іонного струму на секції катоду з ростом негативного зміщення зменшується та при значеннях U_зм < -0,3 кВ виходить на насичення, у той час як для мідного катоду іонний струм на ближніх секціях збільшується рівномірно зі збільшенням величини негативного зміщення на катоді. Це пов'язано з процесами захоплення повільних електронів коливально-збуджденими молекулами водню в умовах інтенсифікації їхньої десорбції з поверхні металогідриду. Шляхом подавання різних позитивних потенціалів на одну із секцій металогідридного порожнистого катоду можна було керувати проникненням плазми в його порожнину.

У п. 3.4 приводяться висновки, що стосуються дослідження особливостей роботи металогідридних катодів у відбивному розряді.

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу металогідридних (Zr₅₀V₅₀H_x) катодів на характеристики плазмових джерел позитивних іонів водню пенінгівського типу.

У п. 4.1 досліджується фізична модель плазмового джерела з аксіальним витягуванням позитивних іонів водню на базі відбивного розряду з плоским металогідридним катодом. Виявлено, що починаючи зі значень розрядної напруги U_p ? 2,5 кВ спостерігається практично лінійне зменшення струму заряджених частинок, що потрапляють на колектор, а при подальшому збільшенні анодної напруги струм заряджених частинок, що витягуються, змінює знак. При витягуванні іонів з боку мідного катоду (у присутності металогідридного), або якщо обидва катоди були виготовлені з міді, даного ефекту не спостерігалося. Виміри функцій розподілу іонів за енергіями, що витягуються із відбивного розряду з плоским металогідридним катодом показали, що окрім основного піку на функції розподілу іонів за енергіями у районі 1,1 - 1,2 кеВ, відбувається поява також додаткового максимуму в низько енергетичній (~ 600 еВ) області. Анодне спадання напруги на розряді при цьому становило 2,5 кВ. Перший максимум у районі 600 еВ відповідає іонам, що утворилися в результаті іонізації на осі розряду водню, який десорбується з металогідридного катоду. Другий максимум у районі 1,1 - 1,2 кеВ відповідає іонам, що народилися в анодному шарі.

У п. 4.2 досліджується фізична модель плазмового джерела з аксіальним

витягуванням позитивних іонів водню на базі відбивного розряду з металогідридним порожнистим катодом. У випадку електрично симетричного відбивного розряду з порожнистим катодом характер й величина струму іонів, що витягується, а також їх енергетичні спектри як для металогідридного, так і для мідного порожнистих катодів практично не відрізнялися. Однак, при подачі негативного потенціалу на всі секції мідного порожнистого катоду іонний струм, що витягуються, зменшується практично лінійно одночасно зі зменшенням негативного зміщення, у той час як для металогідридного порожнистого катоду при зміщенні U_см < -1 кВ відбувається стабілізація струму, що витягується, на деякому рівні. При такому електричному включенні розряду енергія іонів, що витягуються, зменшується. При цьому у випадку металогідридного порожнистого катоду максимуми функції розподілу зміщалися в більш низько-енергетичну область, ніж потенціал аноду й становили величину 0,7 - 0,8 еU_a. Причому з ростом величини негативного зміщення на металогідридному порожнистому катоді різниця між найбільш ймовірними енергіями іонів та потенціалом аноду збільшується. Для мідного порожнистого катоду зменшення енергії іонів, що витягуються, обумовлено зменшенням напруги на розряді, оскільки в цьому випадку найбільш імовірні енергії іонів збігалися з потенціалом аноду.

У п. 4.3 перераховано основні висновки, що стосуються досліджень по застосуванню металогідридних катодів у плазмових джерелах позитивних іонів водню пенінгівського типу.

П'ятий розділ присвячений дослідженню особливостей процесів утворення негативних іонів водню по механізму дисоціативного прилипання у відбивному розряді з металогідридним (Zr₅₀V₅₀H_x) катодом. Експерименти проводилися в умовах різного способу напуску водню в розрядний проміжок.

У п. 5.1 досліджується утворення іонів H- у режимі термодесорбції водню з поверхні металогідридного катоду за рахунок його нагрівання нагрівачем. Низькоенергетичні електрони, які необхідні для генерації негативних іонів водню, формувалися за рахунок повороту траєкторій електронного пучка електростатичним дзеркалом, який емітується катодом, що розжарюється. Експерименти проводилися в діапазоні тисків водню Р = 2·10^-5 - 9·10^-4 Торр, при електронному струмі емісії з катоду I_ем = 1 мА, і прискорювальній напрузі U_пр = -300 В в умовах відсутності розряду в проміжку. Було показано, що утворення негативних іонів водню, у випадку напуску коливально-збуджених молекул водню тільки завдяки термічній десорбції з металогідридного катоду, не може забезпечити струм негативних іонів, що був отриманий раніше в розрядах з металогідридним катодом [Бориско В.Н. и др. Вопр. атомн. науки и техники. Сер. “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”. -1998. -Вып. 3(69), 4(70). -С. 179 - 182.].

У п. 5.2 досліджується утворення іонів H- у режимі стимульованої десорбції водню з металогідридного катоду за рахунок бомбардування його поверхні іонами плазми розряду. Експерименти проводилися в діапазоні тисків водню Р = 1·10^-2 - 4·10^-3 Торр. Потужність, що передається металогідридному катоду, варіювалася від 3 до 6 Вт. Було показано, що внутрішній напуск водню з металогідридного катоду, обумовлений іонним бомбардуванням його поверхні, призводить до значного збільшення виходу негативних іонів водню в порівнянні з напуском водню з балону й за рахунок термодесорбції. При збільшенні потужності, що передається металогідридному катоду частинками плазми, вихід негативних іонів зростає. Отриманий струм негативних іонів водню становив величину 20 мкА.

П. 5.3 містить висновки, що стосуються особливостям утворення іонів Н- у відбивному розряді з металогідридним катодом.

У висновках сформульовані основні результати експериментальних досліджень, що представлені в дисертаційній роботі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розглянуті наступні питання: вплив металогідридних плоского і порожнистого катодів на характеристики відбивного розряду, а також виявлення впливу плазми розряду на газоемісійні властивості таких електродів; можливість застосування металогідридів в якості катодів плазмових джерел позитивних іонів водню і знаходження методів керування енергетичними спектрами пучків іонів, що витягаються; особливості механізмів утворення негативних іонів водню в плазмі відбивного розряду з металогідридними катодами.

Основні результати досліджень полягають у наступному:

1. Показано, що зі збільшенням початкової насиченості воднем металогідридного катоду відбувається збільшення напруги, яка необхідна для підтримки горіння розряду, в порівнянні з розрядом, катоди якого не містять гідридних фаз. Це пов'язано з тим, що коефіцієнт вторинної іон-електронної емісії металогідриду нижчий й залежить від ступеня його насиченості воднем, а також із процесами дисоціативного прилипання повільних електронів до молекул водню, що десорбуються з металогідридного катоду в коливально-збудженому стані. Це призводить до зниження концентрації електронів й ускладнює розвиток електронних лавин.

2. Експериментально встановлено збільшення на порядок величини густини плазми на осі газорозрядного проміжку поблизу насиченого воднем металогідридного катоду. Цей факт пояснюється локальним збільшенням концентрації молекул водню, що десорбуються з поверхні металогідриду під впливом іонного бомбардування. Густина плазми на осі у випадку повністю

насиченого металогідриду становить 2·10¹⁰ см^-3.

3. Встановлено, що перехід до режиму металогідридного порожнистого катоду відбувається при менших напругах, ніж у випадку використання мідного порожнистого катоду. Показано, що шляхом варіювання потенціалами на секціях такого катоду вдається ефективно керувати як напругою, при якій відбувається перехід до режиму порожнистого катода, так і проникненням плазми в порожнину.

4. Експериментально виявлені принципово нові можливості керування функцією розподілу за енергіями іонних пучків, що генеруються. Встановлено, що у випадку застосування насиченого воднем плоского металогідридного катоду енергія іонів, що витягуються із розряду, істотно менше, ніж при використанні катоду, виготовленого з матеріалу, який не містить гідридних фаз.

5. Показана можливість керування функцією розподілу іонів, що витягуються із такого розряду з металогідридним порожнистим катодом, шляхом подавання негативного зміщення на металогідридний порожнистий катод. При цьому найбільш імовірна енергія іонів, що витягуються із розряду, зміщується в більш низько-енергетичну область в зрівнянні з eU_a, де U_a - потенціал аноду.

6. Показано, що внутрішній напуск водню з металогідридного катоду, за рахунок його десорбції з поверхні катоду під впливом іонного бомбардування, призводить до значного збільшення виходу негативних іонів водню в порівнянні із зовнішнім напуском. Встановлено, що швидкість утворення негативних іонів у відбивному розряді при використанні водню, що десорбується тільки за рахунок його термічної десорбції з металогідридного катоду, мала.

7. Показано, що вихід негативних іонів зростає пропорційно енергії, що передається металогідридному катоду частинками, які бомбардують його поверхню.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Borisko V.N., Rudaya I.A., Sereda I.N. Peculiarities of applying reversible hydrogen getters as materials for cathodes in gas discharges devices. // Problems of Atomic Science and Technology, series: “plasma physics”. -2000. -V. 1. -P.

82 - 85.

2. Borisko V.N., Borisko S.V., Klochko Ye.V., Ryabchikov D.L., Sereda I.N. Investigation of emission characteristics of H- ion source on the basis of reflective discharge with metal-hydride cathode. // The Journal of Kharkiv National University № 569, physical series “Nuclei, Particles, Fields”. -2002. -issue 3 /19. -P. 91 - 93.

3. Borisko V.N., Klochko Ye.V., Sereda I.N. Influence of saturation degree of metal-hydride cathode on characteristics of Penning type ion source of hydrogen. // Problems of Atomic Science and Technology, series: “plasma electronics and new acceleration methods”. -2003. -V. 3. -P. 217 - 220.

4. Borisko V.N., Zinov'ev D.V., Klochko Ye.V., Sereda I.N., Tseluyko A.F. Investigation of reflecting discharge with the sectioned metal-hydride hollow cathode. // Problems of Atomic Science and Technology, series: “plasma physics”. -2005. -V. 1(10). -P. 95 - 97.

5. Borisko V.N., Borisko S.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.Ye., Klochko E.V., Lototsky N.M., Maslov V.I., Sereda I.N., Tereshin V.I., Zinov'ev D.V. Experimental Simulation of Hydrogen Recycling at Plasma-Facing Metal-Hydride in Fusion Reactors. // Physica Scripta. -2003. -V. T103. -P. 93 - 96.

6. Borisko V.N., Rudaya I.A., Sereda I.N. The Influence of the Cathode from Metal-Hydride on the Characteristics of the Reflecting Discharge. // XXV ICPIG International Conference on Phenomena in Ionized Gases. -2001. -Nagoya, Japan. -V. 1. -P. 211 - 212.

7. Borisko V.N., Borisko S.V., Lapshin V.I., Maslov V.I., Klochko Ye.V., Ryabchikov D.L., Sereda I.N. Investigation of emission characteristics of H- ion source on the basis of reflective discharge with metal-hydride cathode. // 29th EPS Conference on Plasma Phys. and Contr. Fusion. -2002. Montreux, Switzerland. -V. 26B. -P. 2.036.

8. Borisko V.N., Borisko S.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.Ye., Klochko E.V., Maslov V.I., Sereda I.N., Tereshin V.I., Zinov'ev D.V. Hydrogen recycling at plasma-facing metal-hydride in fusion reactors. // Int. workshop on “Hydrogen Isotopes in Fusion Reactor Material”. -2002. -Tokyo, Japan.

9. Borisko V.N., Borisko S.V., Klochko Ye.V., Sereda I.N. Application of getter metal-hydride sorbents of hydrogen in plasma source of hydrogen ions. // XVII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц. -2003. -Алушта, Крым. -С. 137 - 138.

10. Borisko V.N., Sereda I.N., Zinov'ev D.V., Klochko Ye.V., Tseluyko A.F. Investigation of reflecting discharge with the sectioned metal-hydride hollow cathode. // 10th International conference and Plasma Physics and Controlled Fusion. -2004. -Alushta (Crimea), Ukraine.

11. Borisko V.N., Klochko Ye.V., Lototsky N.M., Rudaya I.A., Sereda I.N., Zinov'ev D.V. Application of Zr-V hydrogen getters in vacuum-plasma devices: II. Ion-stimulated hydrogen desorption from the MH elements and its influence on the characteristics of hydrogen plasma. // Int. Symp. On MH system. Fundamentals and applications. -2004. -Krakov, Poland. -P. 79.

12. Borisko V.N., Klochko Ye.V., Lapshin V.I., Sereda I.N. Peculiarities Of Sectioned Metal-hydride Hollow Cathode Applying In Penning Discharge. // Int. Conf. PLASMA-2005. -2005. -Opole-Turawa, Poland. -P. 96.

13. Borisko V.N., Klochko Ye.V., Sereda I.N., Tselujko A.F., Zinov'ev D.V.

Influence Of Metal-hydride Hollow Cathode On Energy Distribution Function Of Ions Extracted From H⁺ Plasma Source. // IX Int. Conf. of Hydrogen Materials Science. -2005. -Sevastopol (Crimea), Ukraine. -P. 192 - 193.

АННОТАЦИЯ

Середа И.Н. Особенности применения обратимых сорбентов водорода в плазменных источниках положительных и отрицательных ионов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию особенностей работы металлогидридных электродов в газовом разряде на основе ловушки Пеннинга, а также возможности применения таких катодов в плазменных источниках ионов водорода с целью повышения эффективности их работы. Экспериментально определено влияние степени насыщенности водородом плоского металлогидридного катода на разрядные характеристики и стационарные параметры плазмы отражательного разряда. Показано, что при повышении начальной насыщенности водородом металлогидридного катода требуется увеличение разрядного напряжения необходимого для поддержания стабильной работы разряда. Установлено также существенное увеличение плотности плазмы на оси разряда при повышении начальной насыщенности водородом металлогидридного катода. Изучены особенности работы полого металлогидридного катода в отражательном разряде при различных режимах внешнего газонапуска и вариации потенциалов на его секциях. Установлено, что возбуждение эффекта металлогидридного полого катода происходит при меньших разрядных напряжениях, чем медного. Экспериментально исследована физическая модель источника положительных ионов водорода с металлогидридными плоским и полым катодами. Обнаружены принципиально новые методы управления функцией распределения по энергиям генерируемых ионных пучков, связанных с ионизацией десорбированного в термодинамически неравновесном состоянии водорода из металлогидридного катода. Выявлены особенности механизмов образования отрицательных ионов водорода в объеме отражательного разряда с металлогидридным катодом. Установлено, что процессом, определяющим выход ионов Н- в данном типе источника, является десорбция водорода стимулированная ионной бомбардировкой поверхности металлогидридного катода.

Ключевые слова: плазменный источник ионов водорода, разряд Пеннинга, полый катод, отрицательные ионы, металлогидриды.

АНОТАЦІЯ

Середа І.М. Особливості використання зворотних сорбентів водню в

плазмових джерелах позитивних і негативних іонів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2006.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню особливостей роботи металогідридних електродів у відбивному розряді, а також можливості застосування таких катодів у плазмових джерелах іонів водню з метою підвищення ефективності їхньої роботи. Досліджено вплив ступеня насиченості воднем металогідридного катоду на розрядні характеристики й параметри плазми відбивного розряду. Вивчено особливості роботи порожнистого металогідридного катоду у відбивному розряді. Встановлено, що збудження ефекту металогідридного порожнистого катоду відбувається при менших розрядних напругах, ніж мідного. Експериментально досліджена фізична модель джерела позитивних іонів водню з металогідридними плоским та порожнистим катодами. Виявлені принципово нові методи керування функцією розподілу за енергіями іонних пучків, що генеруються. Виявлено особливості механізмів утворення негативних іонів водню в об'ємі відбивного розряду з металогідридним катодом.

Ключові слова: плазмове джерело іонів водню, розряд Пенінга, порожнистий катод, негативні іони, металогідриди.

ABSTRACT

Sereda I.N. Peculiarities of reversible hydrogen sorbents applying in plasma sources of positive and negative ions. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality 01.04.08 - plasma physics. - Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2006.

The thesis is devoted to experimental investigation of peculiarities of metal-hydride electrodes operating in reflected discharge and to the possibility of such electrodes applying in hydrogen plasma ion sources with the aim to increase the efficiency of their working. The influence of hydrogen saturation degree of metal-hydride cathode on discharge characteristics and plasma parameters of reflective discharge has been investigated. The peculiarities of metal-hydride hollow cathode operating in the reflective discharge were examined. It has been determined that excitation of metal-hydride hollow cathode mode happens at lower discharge voltage than for the copper hollow cathode. The physical model of positive hydrogen ion source with metal-hydride flat and hollow cathodes has been experimentally investigated. In principle new methods of energy function distribution of generated ion beams were found out. The peculiarities of generation mechanisms of negative hydrogen ions in the volume of gas discharge with metal-hydride cathode have been revealed.

Key words: plasma hydrogen ion source, PIG discharge, hollow cathode, negative ions, metal-hydrides.

Размещено на Allbest.ru