Влияние длины полого катода на спектр излучения газового разряда в гелии.

Курсовая работа по атомному практикуму

Физический факультет НГУ, III курс, 1 семестр.

Алексей В. Петренко

Аннотация

Экспериментально исследовалась интенсивность спектральных линий газового разряда в зависимости от длины полого катода. Рабочий газ - He, давление между электродами ~10-1 Торр. Диаметр полого катода 27мм, диапазон изменения длины полости 0-12 см. Обнаружено, что в режиме тлеющего разряда с полым катодом интенсивность наиболее ярких спектральных линий (5016A, 3889A) почти не зависит от длины полости. Некоторые менее интенсивные линии, такие как 3790A, 3750A, наоборот, вдвое ослабевают при уменьшении длины катода в два раза. Приводится качественное объяснение полученных результатов.

1. Введение

В настоящее время в связи с разработкой лазеров, ионных и кластерных источников [10,12], ведутся работы по исследованию физики газового разряда в системе с полым катодом. Кроме того, полый катод продолжает активно использоваться в спектроскопии, и в источниках ультрафиолетового излучения. Имеются как теоретические [3,4,11], так и экспериментальные [1,13] работы, посвященные этой теме. Возникают вопросы, относящиеся к оптимизации характеристик разряда от различных параметров, в том числе и от геометрии [2,11]. Один из вопросов, важных при разработке спектроскопических приборов и лазеров - это определение оптимальных параметров газового разряда, обеспечивающих необходимую интенсивность спектральных линий разряда и заселенность энергетических уровней атомов. Для ионных и кластерных источников интерес пред-ставляет измерение концентрации распыленного материала катода внутри полости. Об этом можно судить по яркости спектральных линий, излучаемых исследуемым веществом. В данной работе рассмотрено влияние длины цилиндрического полого катода на спектр излучения газового разряда в гелии при давлениях ~10-1 Торр.

2. Экспериментальная часть

2.1. Описание экспериментальной установки

Схематический чертеж разрядного устройства представлен на рис. 1. Внутри вакуумной камеры, состоящей из дюралюминиевого блока (10) и стеклянных трубок (4), откачиваемой форвакуумным насосом до давления 2*10-2 мм. рт. ст., находятся электроды и механизм, изменяющий длину катода. Полый катод представляет собой сетчатый цилиндр, длиной 13 см и диаметром 27 мм, изготовленный из стальной немагнитной нержавеющей сетки с диаметром проволоки 0,2 мм и размером ячейки 0,80,8 мм. Левый (по рис. 2) торец катода (коллектор) находится под плавающим потенциалом и изолирован от сетки кварцевым изолятором. При помощи кольцевого магнита, внутри которого находится магнитный сердечник, коллектор можно перемещать вдоль цилиндра непосредственно в ходе эксперимента без нарушения вакуума. Коллектор (рис. 2.) изготовлен из латуни. Диаметр его обращенной к аноду металлической части равен 25 мм. Для снятия спектров использовался спектрометр на основе дифракционной решетки, обеспечивающей разрешение в несколько ангстрема. Спектр снимался при помощи ПЗС-линейки (1024 ячейки) с выводом сигнала на компьютер.

2.2. Методика эксперимента

Вакуумная камера откачивалась до максимального разрежения и при помощи натекателя выставлялось необходимое давление. После этого, зажигался разряд и изменением угла наклона дифракционной решетки спектрометра выбирался диапазон измерения длин волн. Ширина щели выставлялась такой, чтобы амплитуда максимального пика (при максимальной длине катода) не выходила за пределы измерений. Измерения проводились, начиная от самой большой длины катода, когда интенсивность всех спектральных линий максимальна. Затем, не меняя ширины щели спектрометра, длина катода уменьшалась до нового значения (разряд при этом продолжал гореть). Таким образом, сравнивать интенсивности спектральных линий можно только в пределах одной серии измерений (постоянные пределы по длинам волн, разная длина катода). Для других пределов по длинам волн ширина входной щели спектрометра менялась.

3. Результаты и обсуждение

Для длин катода 11-2 см при давлении p~10-1 Торр. реализуется тлеющий разряд (рис. 3). Его особенностью является большая (по сравнению с плоскими электродами) плотность тока на поверхности катода и интенсивные спектральные линии исследуемого газа. Спектр газового разряда в гелии при этих условиях показан на рис. 4. Длина катода 11,5см. При уменьшении длины катода интенсивность основной линии 3889A почти не меняется (ср. рис. 5). Это, по-видимому, связано с тем, что населенность уровней, между которыми происходят переходы находится в насыщении и поэтому вероятность переходов между ними слабо зависит от концентрации быстрых электронов.

Также возможно, что максимум сечения возбуждения для этих уровней лежит в области низких энергий электронов, концентрация которых в тлеющем разряде слабо зависит от длины полого катода.

Для слабых пиков (3790A, 3750A) наблюдается противоположный эффект. Интенсивность пиков уменьшается вдвое, когда длина катода сокращается только на 25%, что хорошо видно на рис. 6. Вероятно, это связано с резкой зависимостью вероятности возбуждения соответствующих уровней от энергии быстрых осциллирующих внутри полости электронов. Потери быстрых электронов через выходную апертуру катода сильно зависят от отношения длины катода к диаметру апертуры [3,4,5,11].

С уменьшением длины полости до нескольких сантиметров тлеющий разряд переходит в другую стадию называемую высоковольтным разрядом с полым катодом. При этом конфигурация электрического поля кардинально изменяется, исчезает плазменный столб внутри катода и разрядный ток сильно уменьшается (с 10 мА до 1мА). По оси катода формируется электронный луч, который в основном и служит источником излучения.

Спектр излучения высоковольтного разряда содержит те же линии что спектр тлеющего разряда, но их интенсивность уменьшается в несколько раз. Поэтому некоторые слабые линии становятся невидимыми на фоне шумов. Изменение спектра излучения разряда при переходе из тлеющего в высоковольтную форму показано на рис. 7.

Расшифровка спектров производилась с использованием базы данных спектральных линий [17]. В итоге точно удалось установить только три линии, попавшие на один график и характерные только для гелия (4922A, 5016A, 5048A) рис 11, 12, 13. Частота и соотношение между амплитудами для этих линий хорошо согласуются с литературными данными.

Похоже, что гелию также принадлежит линия с длиной волны ~3900A. Она в литературе указана как самая яркая в этой области. Но ее частота на 20А отличается от табличного значения. Это, возможно, связано с ошибкой допущенной при определении угла наклона дифракционной решетки. Кроме того, на длине волны ~3900A расположено много менее интенсивных линий азота и кислорода, а также железа. Эти вещества должны присутствовать в рабочем газе в виде примесей.

4. Выводы

1. Разработана экспериментальная установка для получения спектров газового разряда с полым катодом, с возможностью непрерывно изменять отношение длины катода к его диаметру в диапазоне 0-5 раз. Получены первые результаты.

2. Установлено, что в режиме тлеющего разряда с полым катодом интенсивность ярких спектральных линий (5016A, 3889A) слабо зависит от длины полости. При этом некоторые слабые линии (3790A, 3750A) ослабевают почти вдвое, если длину катода уменьшить на 25% от максимального значения (11,5см).

5. Благодарности

Выражаем благодарность А. А. Дорошкину за помощь в проведении эксперимента.

Список литературы

[1] Метель А.С. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом. -ЖТФ, 1984, т.54, №2, с. 241-247.

[2] В.И. Кириченко и др. Влияние геометрических размеров, материала катода и рода газа на область оптимальных давлений тлеющего разряда с цилиндрическим полым катодом. -ЖТФ, 1976, т.46 №9.

[3] С.П. Никулин. Влияние размеров анода на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. -ЖТФ, 1997, т.67, №5.

[4] С.П. Никулин. Тлеющий разряд с полым катодом в длинных трубках. -ЖТФ, 1999, т.69, №6.

[5] В.Г. Гречаный, А.С. Метель. Влияние граничных условий на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. -ЖТФ, 1982, т.52, №3.

[6] А.С. Метель. Влияние ионизации в катодном слое на характеристики тлеющего разряда с осциллирующими электронами. -ЖТФ, 1985, т.55, №10.

[7] Б.И. Москалев. Страты в плазме полого катода. - ЖТФ, 1965, т.XXXV, №8.

[8] Б.И. Москалев. Разряд с полым катодом. "Энергия", М. (1969).

[9] В.С. Бородин и Ю.М. Каган. Исследование разряда в полом катоде. -ЖТФ, 1966, т.XXXVI, №1.

[10] K. Ishii, K. Amato and H. Hamakake. "Hollow cathode sputtering cluster source for low energy deposition: Deposition of Fe small clusters." J. Vac. Science and Technol. A, 17/1999.

[11] Никулин С.П. //ЖТФ. 1992. Т. 62. Вып. 12. С. 21-27.

[12] А.В.Визирь, Е.М.Окс, и др. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников. -ЖТФ, 1997, том 67, Вып. 6.

[13] S. Pfau, R. Kozakov, M. Otte and J. Rohmann. "Experimental Investigations of a Cylindrical Hollow Cathode Glow Discharge." International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Warsaw, Poland, July 11-16, 1999. Proceedings, Contributed Papers, Vol. 3.

[14] А.В.Визирь, Е.М.Окс и др. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников. ЖТФ, 1997, том 67, вып. 6

[16] Н.В.Гаврилов, Д.Р.Емлин, С.П.Никулин Генерация однороднойплазмы в тлеющем разряде с полым анодом и широкоапертурным полым катодом. ПЖТФ, 1999, том 25, вып. 12.