1. Выполненные некоторое время назад расчеты [1,2] показали, что в низковольтном (НВ) разряде в смеси цезия с водородом (Cs-H₂) могут быть реализованы условия для создания в объеме высокой концентрации отрицательных ионов водорода (H^-). Это открывает перспективу использования такого разряда для создания эффективных источников H^-. Основным механизмом образования H^- является диссоциативное прилипание электронов к колебательно-возбужденным молекулам водорода H^*₂ [3]. Оптимальные для диссоциативного прилипания значения электронной температуры T_e~1 эВ [4]. Первые экспериментальные исследования, выполненные в диоде с подогревным катодом и плоскопараллельной геометрией электродов, подтвердили возможность получения в НВ Cs-H₂ разряде плазмы с параметрами, необходимыми для генерации H^- и, в частности, нужного уровня температуры электронов [5,6]. Измерения колебательной функции распределения молекул H^*₂ в разряде представляют большие трудности и не осуществлены до настоящего времени. Поэтому весьма интересны эксперименты, в которых возможно наблюдение эффектов, связанных с наличием H^*₂ в НВ Cs-H₂ разряде. [!tb] Зависимость температуры ( а) и концентрации электронов ( б) от времени в распадающейся плазме. Катод - платина, анод - никель. p _H2=0.5 Тор, длительность разрядного импульса tau=500 мкс. Параметры разряда: 1 - N _Cs~1.7·10¹⁴ см^-3, T_k=1230 K, U=3.9 В, I=1.0 А, n_e=2.3·10¹³ см^-3, T_e0=7000 K; 2 - N _Cs~1.7·10¹⁴ см^-3, T_k=1160 K, U=3.5 В, I=0.9 А, n_e=2.1·10¹³ см^-3, T_e0=6300 K; 3 - N _Cs~1.7·10¹⁴ см^-3, T_k=1160 K, U=6.1 В, I=2.0 А, n_e=2.9·10¹³ см^-3, T_e0=7600 K. 2. Один из таких эффектов был обнаружен при исследовании послесвечения разряда [7]. В течение длительного времени после выключения тока в межэлектродном промежутке сохраняется плазма достаточно высокой концентрации с холодными электронами (рис. 1; на всех рисунках t=0 в момент выключения тока). Из результатов, приведенных на рис. 1, а, следует, что независимо от уровня T_e в разряде за время t<=10^-5 с после отключения тока T_e падает до величин, близких к величине температуры эмиттера. Наблюдаемый уровень концентрации плазмы в послесвечении, очевидно, не может поддерживаться за счет ионизации атомов Cs столь холодными электронами. Эксперименты показывают, что концентрация в послесвечении, которая в отличие от температуры определяется именно параметрами разряда, сильно зависит от T_e разрядной плазмы (рис. 1, б). Существование плазмы в послесвечении поддерживается объемной ионизацией атомов Cs долгоживущими колебательно-возбужденными молекулами водорода [7] аналогично тому, что имеет место в смеси азота с щелочными металлами [8]. На температуру электронов в послесвечении наличие в объеме H^*₂ практически не влияет. В некоторых режимах наблюдалось лишь незначительное повышение T_e на поздних стадиях послесвечения (например, 1 на рис. 1, а). Исследования также показали [7,9], что параметрами, сильно влияющими на концентрацию плазмы в послесвечении, являются давление водорода p _H2 и длительность разрядного импульса tau. Настоящая работа посвящена описанию обнаруженной в последнее время сильной зависимости картины послесвечения от материала электродов. 3. Эксперименты по исследованию распада плазмы НВ Cs-H₂ разряда проводились в двух полностью аналогичных по конструкции приборах. Здесь укажем лишь основные характеристики; подробное описание конструкции прибора, экспериментальной установки и техники измерений можно найти в [5]. Приборы представляли из себя смонтированные в стеклянной колбе диоды с плоскопараллельной геометрией электродов (торцы цилиндров диаметром 12 мм, боковая поверхность которых была защищена керамикой BeO). Катод с косвенным подогревом. Сквозь отверстие в центре анода вводился цилиндрический зонд диаметром 0.1 мм и длиной 2 мм, ориентированный параллельно электродам. Межэлектродный промежуток L=3 мм. Зонд располагался вблизи центра межэлектродного промежутка. В первом приборе катод был изготовлен из платины, а анод - из никеля (Pt-Ni). Во втором приборе катод - монокристалл вольфрама (грань [110]), анод - медь M1 (W-Cu). Разряд питался прямоугольными импульсами тока варьируемой длительности (tau=<2 мс). Были приняты меры для быстрого гашения разряда (длительность заднего фронта не превышала 5 мкс). Частота следования импульсов составляла 10-25 Гц. Исследованный диапазон параметров: напряжение разряда U=<8 В, ток разряда I=<5 А, температура катода 850=< T_k=< 1250 K, давление водорода 0.1=< p _H2=<5 Тор, концентрация атомов цезия 5·10¹³=< N _Cs=<3·10¹⁴ см^-3. Напряжение, при котором поджигался разряд U _п, зависело от N _Cs, p _H2 и T_k. Характерное значение U _п~3-5 В. При увеличении напряжения U до U-U _п<=1 В, в большинстве режимов вольт-амперная характеристика насыщалась. [!b] Зависимость концентрации электронов от времени в распадющейся плазме. p _H2=0.5 Тор, tau=500 мкс; 1 - катод - платина, анод - никель, N _Cs~1.7·10¹⁴ см^-3, T_k=1160 K, U=4 В, I=0.9 А, n_e=2.1·10¹³ см^-3, T_e0=6300 K; 2 - катод - вольфрам, анод - медь, N _Cs~2·10¹⁴ см^-3, T_k=1170 K, U=7.8 В, I=1.1 А, n_e=5.3·10¹³ см^-3, T_e0=6600 K; 3 - катод - вольфрам, анод - медь, N _Cs ~2·10¹⁴ см^-3, T_k=1150 K, U=5.5 В, I=1.2 А, n_e=5.1·10¹³ см^-3, T_e0=6500 K. 4. Характерный результат сравнения кривых распада плазмы НВ Cs-H₂ разряда в приборах с электродами из различных материалов приведен на рис. 2. Для корректного анализа влияния материала электродов на кинетику послесвечения были подобраны режимы, соответствующие примерно одинаковым условиям в разряде: одни и те же давления водорода и длительности разрядного импульса, близкие значения электронной температуры и концентрации. Видно, что в обоих приборах распад разрядной плазмы, поначалу определяемый объемной трехчастичной рекомбинацией ионов Cs⁺ с остывшими электронами и деионизацией на электродах, постепенно замедляется. На кривых появляется достаточно выраженное "плато". Это может быть объяснено лишь наличием источника ионообразования, интенсивность которого и определяет уровень плато. Как указано выше, ионизация атомов Cs происходит за счет энергии присутствующих в объеме колебательно-возбужденных молекул водорода. Результаты, приведенные на рис. 2, показывают, что эффективность источника ионообразования сильно зависит от материала электродов: концентрация плазмы на "плато" при прочих равных условиях изменяется более, чем на порядок величины. 5. Детальное исследование распада плазмы разряда с электродами (W-Cu) показало, что хотя концентрация долгоживущей плазмы в сопоставимых режимах значительно ниже, основные закономерности, обнаруженные при изучении распада с электродами (Pt-Ni) [7,9], сохраняются. [!tb] Зависимость концентрации электронов от времени в распадающейся плазме. Катод - вольфрам, анод - медь, tau=1.5 мс; 1 - p _H2=0.2 Тор, N _Cs~1.5·10¹⁴ см^-3, T_k=1000 K, U=4 В, I=0.7 А, n_e=2.8·10¹³ см^-3, T_e0=5500 K; 2 - p _H2=2 Тор, N _Cs~1.5·10¹⁴ см^-3, T_k=1000 K, U=6.6 В, I=1.5 А, n_e=2.0·10¹³ см^-3, T_e0=5600 K. В экспериментах с электродами (Pt-Ni) на кривых n_e(t) был зарегистрирован подъем плато с уменьшением давления водорода. Зависимость от давления водорода, обнаруженная при исследовании разряда с электродами (W-Cu), показана на рис. 3. Видно, что имеет место та же закономерность - увеличения концентрации плазмы в послесвечении с уменьшением p _H2. [!b] Зависимость концентрации электронов на квазистационарной стадии распада от длительности разрядного импульса. p _H2=0.5 Тор; 1 - платиновый катод и никелевый анод, U=5.8 В, I=3.7 А, n_e=2.3·10¹³ см^-3, T_e0=7300 K, N _Cs~10¹⁴ см^-3, T_k=1000 K; 2 - вольфрамовый катод и медный анод, U=5 В, I=0.6 А, n_e=4.5·10¹³ см^-3, T_e0=5800 K, N _Cs~1.7·10¹⁴ см^-3, T_k=1000 K. На рис. 4 представлены зависимости уровня плато в разрядах с электродами из различных материалов от длительности разрядного импульса. Концентрация плазмы в послесвечении в обоих случаях вначале значительно возрастает при увеличении tau. Затем наблюдается тенденция к насыщению. Характерное значение tau, необходимое для установления квазистационарной картины распада, tau^*~1 мс. 6. Полученные результаты показали, что материал электродов оказывает значительное влияние на процессы в послесвечении НВ Cs-H₂ разряда. Одной из причин столь существенного уменьшения концентрации плазмы в послесвечении при изменении материалов электродов может быть уменьшение коэффициента поверхностной рекомбинации атомов водорода в молекулу H₂. Это приводит к соответствующему увеличению степени диссоциации водорода в исходном разряде и в начале послесвечения и может вызвать значительное обеднение колебательной функции распределения молекул H₂ в области больших энергий (см., например, [10]). Эти вопросы потребуют дальнейшего исследования применительно к конкретным условиям низковольтного цезий-водородного разряда. Авторы благодарны Ф.Г. Бакшту, В.Г. Иванову за полезные обсуждения и Б.И. Циркелю и А.Е. Богушевскому за помощь в работе. Исследование, описанное в этой работе, стало возможно частично благодаря поддержке гранта N NTZ300 Международного научного фонда и Российского правительства, а также грантов Российского фонда фундаментальных исследований (N 94-02-06370) и INTAS (N 94-316).

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.