Организация проведения научных исследований (этап №3, заключительный)

Цель работы – изучение свойств низкотемпературной плазмы в газоразрядных приборах при наличии на поверхности их электродов тонких диэлектрических пленок, а также разработка направлений оптимизации структуры поверхности электродов для увеличения их долговечности и улучшения характеристик приборов. Проведены теоретические исследования влияния полевой и термополевой эмиссии электронов из тонких диэлектрических оксидных пленок на поверхности катода на его эмиссионные свойства в газовом разряде и характеристики разряда, а также состава рабочего газа на процесс его ионизации и на энергетические спектры бомбардирующих катод ионов и атомов. Сформулирована модель слаботочного разряда в смеси аргон - пары ртути, используемой в дуговых осветительных лампах, при наличии на катоде тонкой диэлектрической пленки. В ней принимается во внимание, кроме ионно-электронной эмиссии с поверхности катода, также полевая эмиссия электронов из металлической подложки катода в пленку под действием возникающего в ней в разряде электрического поля. Рассчитаны зависимости характеристик разряда от температуры смеси, и показано, что так как при ее снижении быстро уменьшается концентрация насыщенных паров ртути, обусловливающая уменьшение ионизационного коэффициента смеси, то увеличивается напряженность электрического поля в разрядном промежутке и напряжение на нем, что может затруднять зажигание разряда в лампе при ее эксплуатации в условиях низких температур. Наличие же тонкой диэлектрической пленки на поверхности катода приводит, вследствие существования полевой эмиссии электронов в пленку, к увеличению эффективного коэффициента электронной эмиссии катода. В результате становится возможным возникновение разряда при меньшей напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке. Это обеспечивает зажигание лампы при более низких напряжениях питающей сети и делает ее более надежной при эксплуатации в условиях низких температур окружающей среды, характерных для зимнего времени. Проведено моделирование методом Монте-Карло движения ионов и быстрых атомов в слаботочном разряде в смеси аргон - ртуть. Так как на этапе зажигания разряда относительное содержание ртути в смеси очень маленькое, принимались во внимание столкновения быстрых частиц только с медленными атомами аргона. Рассчитаны энергетические спектры потоков ионов и быстрых атомов, бомбардирующих поверхность катода. Вычислены эффективные коэффициенты распыления катода ионами обоих типов и быстрыми атомами, а также плотности потоков распыленных ими с катода атомов как функции приведенной напряженности электрического поля в разрядном промежутке. Установлено, что при малом содержании атомов ртути в смеси распыление катода происходит, главным образом, ионами ртути, причем их вклад в распыление уменьшается при увеличении приведенной напряженности электрического поля и снижении температуры смеси. С использованием модели слаботочного газового разряда при наличии на поверхности катода тонкой диэлектрической пленки вычислены эмиссионная эффективность пленки и характеристики разряда как функции ее толщины, установлено, что имеет место удовлетворительное согласие результатов расчета с экспериментальными данными. Показано, что наблюдаемая экспериментально немонотонная зависимость эффективного коэффициента электронной эмиссии катода и напряжения зажигания разряда от толщины пленки может быть объяснена неоднородностью распределения электрического поля в ней. Построена модель термополевой электронной эмиссии из металлического катода с тонкой поверхностной диэлектрической пленкой при не очень высоких его температурах. Получено выражение для эмиссионной эффективности пленки в газовом разряде как функции температуры катода. Выполненные оценки показали, что термополевой механизм эмиссии может оказывать заметное влияние на напряжение зажигания слаботочного разряда с таким катодом при достаточно низких температурах, менее чем на 100 К превосходящих комнатную. Результаты исследований опубликованы в 2019 г. в четырёх статьях в журналах, индексируемых в Web of Science.