Исследование эрозии катода в отрицательном коронном разряде

Отрицательный коронный разряд вызывает эрозию поверхности катода, которая проявляется в виде удаления материала, с катодной поверхности, образовании на. поверхности кратеров и трещин нанометровых и микронных размеров, а. также приводит к формированию наноструктурированных диэлектрических структур и пленок, оплавлению поверхности. Возможными причинами эрозии катода в отрицательном коронном разряде считаются следующие процессы: распыление в результате бомбардировки положительными ионами [1], химическое травление поверхности [2], формирование и разрушение диэлектрических пленок [3], локальный нагрев и испарение [4], микровзрывной механизм [5]. В настоящее время нет точных данных о механизме эрозии.

При среднем токе менее 100 мкА отрицательный коронный разряд реализуется в виде последовательности токовых импульсов Тричела. [6] длительностью на. полувысоте порядка. 10 нс, частотой 1 МГц и амплитудой 1 мА. Нет однозначного мнения о механизме импульсов Тричела. и роли различных вторичных процессов на. катодной поверхности в механизме импульса. Отрицательный коронный разряд является источником нанодисперсного аэрозоля [7], механизм формирования которого также не установлен.

Анализ существующих литературных данных позволяет заключить, что эрозионная картина, в отрицательном коронном разряде определяется в основном тремя процессами: динамикой разрядного факела, на. поверхности катода, динамикой формирования эрозионных кратеров и динамикой продуктов эрозии в электродном промежутке. Существуют различные гипотезы о механизме данных явлений, однако данные механизмы в настоящее время не установлены - эти явления исследуются в работе.

2.    Экспериментальная установка

Отрицательный коронный разряд исследовался в воздухе при атмосферном давлении в электродной конфигурации острие-плоскость. Катоды в виде острий изготавливались из Си, W, С, Al, Ag путем механической обработки проволок и стержней диаметром от 20 мкм до 2 мм. Материалы подбирались таким образом, чтобы их свойства, максимально различались. Межэлектродное расстояние варьировалось в пределах 10-40 мм, напряжение

8-15 кВ. Измерялся средний ток разряда. Осциллограммы разрядного тока регистрировались при помощи осциллографа С1-75. Проводилась синхронная фронтальная и боковая микровидеосъемка катодной поверхности. После разряда катоды исследовались при помощи растрового электронного микроскопа FEI Quanta 200 с разрешением 10 нм, а также проводился компонентный анализ поверхности.

3.    Результаты и обсуждения

На основе измерений, выполненных в данной работе, можно выделить три типа импульсов Тричела: устойчивый режим, неустойчивый режим и режим стохастических импульсов. Каждому из режимов соответствует характерная динамика разрядного факела на катодной поверхности и топография эрозионной поверхности.

В устойчивом режиме, который представлен на рис. 1, импульсы имеют неизменную амплитуду и межимпульсный интервал (рис. 1а), а разрядный факел может длительное время не менять положение на катодной поверхности (более 1с)— рис. 16. В области локализации разрядного факела на катодной поверхности формируется кратер диаметром 1-5 мкм (рис. 1в). Изменение положения разрядного факела приводит к формированию микрократера в новой области на катодной поверхности, а также, как правило, к изменению амплитуды импульсов Тричела и межимпульсного интервала. Согласно результатам наблюдений, оплавление поверхности также приводит к устойчивому режиму импульсов Тричела. При среднем токе 100 мкА устойчивый режим характерен для графитовых катодов диаметром острия менее 100 мкм и для медных катодов диаметром острия менее 50 мкм.

На рис. 2 представлен разряд в неустойчивом режиме импульсов Тричела. Неустойчивый режим является последовательностью быстро сменяющихся (не реже 1 раза за 10 мс) устойчивых режимов, каждый из которых характеризуется определенным значением амплитуды и межимпульсного интервала. На рис. 2а представлена осциллограмма разряда, выполненная с экспозицией 40 мс. За это время сменилось, по меньшей мере, 7 последовательностей импульсов Тричела, каждая из которых характеризовалась неизменным значением амплитуды и межимпульсного интервала. На синхронно выполненной фотографии разряда, представленной на рис. 26, разрядный факел 7 раз сменил положение на катодной поверхности за время экспозиции. При среднем токе 100 мкА неустойчивый режим может наблюдаться на медных и графитовых катодах диаметром острия более 100 мкм. При этом формируются эрозионные кратеры различных размеров - от 100 нм до 5 мкм (рис. 2в). Также неустойчивый режим характерен для катодов, на поверхности которых присутствуют частично окисленные участки.

На рис. 3 представлен разряд в стохастическом режиме. В этом режиме любые два следующих друг за другом импульса Тричела могут иметь различную амплитуду. Межимпульсный интервал при этом не зависит от амплитуды и также меняется от импульса к импульсу произвольным образом (рис. За). Разрядный факел в стохастическом режиме меняет положение на катодной поверхности в результате каждого импульса Тричела (рис. 36). Стохастический режим импульсов Тричела реализуется на катодах, полностью покрытых диэлектрической оксидной пленкой, например, в случае катодов из алюминия. Эрозионное действие разряда проявляется в формировании нанопор и трещин в оксидной пленке (рис. Зв).

В устойчивом и неустойчивом режиме результаты осциллографирования разрядного тока удобно представлять в виде графиков зависимости амплитуды импульсов от межимпульсного интервала. Пример данного графика для графитовых катодов диаметром острия 50 и 300 мкм представлен на рис. 4. Экспериментальные точки, объединенные одной прямой, измерены при неизменных значениях среднего тока, диаметра катода, межэлектродного расстояния и напряжения. Изменение положения экспериментальной точки в пределах конкретной прямой вызвано изменением положения разрядного факела на катодной поверхности. Изменение положения прямой вызвано изменением геометрии и параметров промежутка. Данный график демонстрирует независимое влияние свойств катодной поверхности и свойств разрядного промежутка на импульсы Тричела.

Рис. 1. Устойчивый режим импульсов Тричела на медном катоде: а) осциллограмма; б) разряд, 1 - катод, 2 - разрядный факел; в) кратеры микронных размером на оплавленной катодной поверхности

Рис. 2. Неустойчивый режим импульсов Тричела на графитовом катоде. Фотографии выполнены с экспозицией 40 мс: а) осциллограмма; б) разряд, 1 - катод, 2 - разрядный факел; в) катодная поверхность, 3 - эрозионные микрократеры

Рис. 3. Стохастический режим импульсов Тричела на алюминиевом катоде: а) осциллограмма, зарегистрированная при разовом запуске развертки осциллографа; б) фронтальный снимок разряда, выполненный с экспозицией 40 мс (негатив); в) катодная поверхность, покрытая нанопорами и трещинами

В случае катодов, изготовленных из спеченного вольфрама, обнаружено, что импульс Тричела может состоять из двух пиков - соответствующая осциллограмма разряда в устойчивом режиме приведена на рис. 5. При этом обнаружено, что в неустойчивом режиме амплитуда первого пика не зависит от положения разрядного факела на катодной поверхности, а амплитуда второго пика определяется положением разряда. Таким образом, можно сделать вывод, что начальная фаза импульса Тричела обусловлена объемными процессами в электродном промежутке, а на завершающей стадии импульса существенную роль играют процессы на поверхности катода. Данный вывод находится в согласии с теорией, представленной в [8], согласно которой начальная фаза импульса Тричела обусловлена формированием в прикатодной области катодонаправленой волны ионизации.

Рис. 4. Зависимость амплитуды импульсов и межимпульспого интервала, от напряжения для графитовых катодов диаметром острия 50 и 300 мкм в воздухе при атмосферном давлении. Значения среднего тока и напряжения для соответствующих прямых указаны на графике: Һ — межэлектродное расстояние, d — диаметр острия катода

Диаметр токового пятна, на. катодной поверхности существенно меньше диаметра, острия катода, как следует из рис. 16. Эрозионные процессы происходят в области локализации разряда, на. поверхности, поэтому топография эрозионной поверхности существенно зависит от динамики разрядного факела. В режиме импульсов Тричела эрозионные микрократеры формируются на. некотором расстоянии друг от друга, (рис. 1в, рис. 2в). Это связано с тем, что в режиме импульсов Тричела движение разряда по катодной поверхности не носит непрерывный характер - разряд исчезает в одной области и возникает в другой. Безымпульсная форма отрицательного коронного разряда реализуется при среднем токе разряда, от 100 до 200 мкА. Обнаружено, что в безымпульсном режиме разряда, эрозионные кратеры, как правило, объединены в следы длиной до 10 мкм, что является следствием непрерывного движения разрядного факела, по катодной поверхности. Эрозионные следы на. медном и графитовом катоде после разряда, в безымпульсной форме представлены на. рис. ба. и рис. бб.

Рис. 5. Импульсы Тричела. па. вольфрамовом катоде. Каждый импульс состоит из двух пиков. 1 — первый пик, 2 — второй пик

Рис. 6. Эрозионная поверхность катода после разряда в безымпульсном режиме: а) медный катод, 1 — эрозионный след длиной 10 мкм; б) графитовый катод, 2 — эрозионный след длиной 20 мкм

Согласно результатам измерений, удельная скорость эрозии катода из меди и серебра на уровне 0,01 ат/э., в случае графита - до 1 ат/э. Для распыления поверхности положительными ионами с данной удельной скоростью требуются ионы с энергией более 1 кэВ [9], однако в отрицательной короне энергия положительных ионов на уровне 10 эВ [10], следовательно, катодное распыление не может являться основной причиной эрозии катода в отрицательном коронном разряде.

Обнаружено, что если поверхность катода не оплавляется под действием разряда или не покрывается оксидной пленкой, то на поверхности формируются элементарные кратеры размером 40 нм в случае меди, 100 нм в случае графита — рис. 7а и рис. 76. Размер каждого кратера совпадает с величиной эрозии, приходящейся на один импульс Тричела. Величина эрозии, приходящаяся на один импульс Тричела, рассчитывалась как отношение эрозионного объема катода за время всего эксперимента к количеству импульсов. Элементарный кратер при этом считается полусферическим. Таким образом, каждый элементарный кратер формируется в результате одного импульса Тричела. Плотность тока через катодную поверхность в момент импульса достигает значения 108 А/см2 - данная величина рассчитана как отношение амплитуды импульса Тричела к площади элементарного кратера.

Значение величины интеграла удельного действия Һ [11] импульса Тричела задается формулой

Һ =

т J j ² dt, 0

где j - плотность тока на катодной поверхности, т — ширина импульса Тричела на полувысоте. Данное значение было оценено на уровне 10⁸ А²с/см⁴ для графитовых катодов и 10⁹ А²с/см⁴ для медных или серебряных катодов, что свидетельствует в пользу электровзрывного механизма эрозии катода в отрицательном коронном разряде - такие же значения интеграла удельного действия токового импульса известны из экспериментов по электрическому взрыву проволок [11], [12].

Электровзрыв инициируется на катодной поверхности под действием поля катодона-правленой волны ионизации, величина которого во время импульса в прикатодной области достигает 106 В/см [13]. Присутствующие на поверхности микронеоднородности увеличивают поле до 103 раз [14]. Под действием электрического поля 108-109 В/см происходит автоэлектронная эмиссия с плотностью тока 108 А/см2, вызывающая джоулев разогрев участка катодной поверхности до критической температуры и его электрический взрыв с формированием кратера диаметром 40-100 нм (рис. 7а, рис. 76).

Кратеры микронных размеров, представленные на рис. 1в и рис. 2в, формируются в результате многократного воздействия разряда при неизменной области локализации разрядного факела на катодной поверхности.

Продуктами эрозии катода в отрицательном коронном разряде являются наночастицы размером ~10 нм [7]. В случае медных и серебряных катодов наблюдается частичный возврат продуктов эрозии на катодную поверхность и осаждение в виде нанокристаллических структур — рециклинг (рис. 8). Рециклинг не обнаружен на катодах из вольфрама, графита или алюминия. Согласно результатам компонентного микроанализа, в случае медного катода осажденные нанокристаллы состоят из меди и кислорода в пропорции 1:3. Характерная длина кристаллов 1 10 мкм, а толщина 1 500 нм.

Рис. 7. Элементарные эрозионные кратеры: а) медный катод, 1 — кратер диаметром 40 нм; б) графитовый катод, 2 — кратеры диаметром 100 нм

Избирательное свойство рециклинга по отношению к материалу катода свидетельствует о высокой начальной скорости продуктов эрозии, зависящей от материала катода (при низкой скорости - менее 100 м/с продукты эрозии осели бы на катодной поверхности в случае любого катодного материала вследствие обратной диффузии [15]). Таким образом, обнаруженное избирательное свойство рециклинга по отношению к материалу катода согласуется с электровзрывным механизмом эрозии катода в отрицательном коронном разряде. Из экспериментов по электровзрыву проволок, например, известно, что начальная скорость аэрозольных наночастиц порядка 103 м/с [16].

Рис. 8. Медный катод после разряда: а) общий вид катода (1,2- нанокристаллы, формирующиеся на поверхности медного катода в результате рециклинга продуктов эрозии); б) кристалл, сформировавшийся на расстоянии 30 мкм от торца катода; в) кристаллы на «воротнике», сформированном в результате рециклинга

Электровзрывной механизм эрозии катода в отрицательном коронном разряде подтверждается следующими экспериментальными результатами:

• а)    эрозия катода происходит в случае катодов, изготовленных из любых материалов, следовательно, роль химического травления в механизме эрозии катода несущественна;

• б)    удельная скорость эрозии катода в случае графита может достигать 10-4 г/Кл (1 ат/э). Данная удельная скорость эрозии не может быть достигнута бомбардировкой положительными ионами с энергией 10 эВ (данные по энергии положительных ионов в отрицательном коронном разряде приведены, например, в монографии Леба [17]);

• в)    значения величины интеграла уделвного действия импульса Тричела, впервые измеренные в данной работе, достигают 10⁹ А²с/см4 для медного и серебряного катода и 10⁸ А²с/см4 для графитового катода. Такие же значения удельного действия токового импульса известны из экспериментов по электрическому взрыву проволок;

• г)    продуктами электровзрыва проволок [18] и эрозии катода в отрицательном коронном разряде [19] являются наноразмерные частицы одинакового размера. Следовательно, механизм формирования аэрозольных частиц в отрицательной короне и при электрическом взрыве проволок может быть одинаковым (электрический взрыв). Избирательное свойство рециклинга по отношению к материалу катода согласуется с электровзрывным механизмом эрозии катода в отрицательном коронном разряде.

4.    Заключение

В работе исследован отрицательный коронный разряд в воздухе в конфигурации острие—плоскость в режиме импульсов Тричела и безымпульсной форме. Использовались катоды, изготовленные из Си, С, Al, Ag, W. Установлено, что в режиме импульсов Тричела разряд реализуется в устойчивом, неустойчивом или стохастическом режимах. Обнаружено независимое влияние условий промежутка и динамики привязки разрядного факела на амплитуду импульсов Тричела и межимпульсный интервал. Согласно результатам исследования импульсов Тричела на вольфрамовых катодах, начальная фаза импульса Тричела определяется объемными процессами в межэлектродном промежутке, а на завершающем этапе существенную роль играют вторичные процессы на поверхности катода.

Эрозия катода в отрицательном коронном разряде происходит в виде формирования элементарных кратеров размером 40 нм в случае медного катода и 100 нм в случае графитового. Формирование элементарного кратера объясняется электровзрывными процессами на катодной поверхности. Кратеры микронных размеров формируются в результате многократного воздействия разряда при неизменной локализации разрядного факела на катодной поверхности.

В безымпульсном режиме кратеры микронных размеров объединены в эрозионные следы шириной 1 мкм и длиной 10 мкм. Это объясняется особенностями динамики разрядного факела в безымпульсном режиме отрицательного коронного разряда.

Рециклинг эрозионных продуктов наблюдается на катодах из меди и серебра и не обнаружен в случае катодов из вольфрама, графита и алюминия. Оседание продуктов эрозии на катодной поверхности в случае меди происходит в виде нанокристаллов, состоящих из меди и кислорода в отношении 1 : 3. Характерная длина кристаллов 1-10 мкм, а толщина 1-500 нм.

Данная работа была выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования МФТИ при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ: грант № 12-08-01223 «Исследование механизма эрозии катода в отрицательном коронном разряде», № 12—08— 33031 «Плазменные и приэлектродные процессы в сильнонеоднородных электрических и магнитных полях».