Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных

Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов…
В.А. КУРНАЕВ, Д.Н. СИНЕЛЬНИКОВ, Ю.М. ГАСПАРЯН
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ХОЛОДНАЯ ЭМИССИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
В работе проведены эксперименты по исследованию низкополевой эмиссии с образца пористого МПГ-8 графита,
как одного из кандидатов на роль первой стенки. Было установлено, что эмиссионная способность образца сильно зависит от его объемной газонасыщенности, а также резко увеличивается при росте газовыделения из образца. Однако даже
после значительного обезгаживания эмитируемые токи совпадают с формулой Фаулера–Нордгейма для тока автоэлектронной эмиссии при нереально большом коэффициенте усиления.
При взаимодействии плазмы с первой стенкой последняя подвергается со стороны плазмы
бомбардировке ионами. Стенка же в свою очередь эмитирует в плазму электроны за счет ионноэлектронной и при больших тепловых нагрузках за счет термоэлектронной эмиссии. В настоящее
время эти процессы достаточно хорошо изучены.
В [1] было показано, что из-за ухода из плазмы на помещенное в нее твердое тело более
быстрых электронов последнее заряжается отрицательно относительно плазмы до некоторого потенциала. Этот потенциал устанавливается на расстоянии порядка 10 радиусов Дебая. Так, в токамаке ITER ожидается между плазмой и первой стенкой напряженность поля 3,6·107 В/м (при концентрации 4,1·1020 м–3 и электронной температуре 170 эВ). Такая напряженность поля достаточна
для возникновения токов автоэлектронной эмиссии с острий рельефа поверхности. Кроме того,
может возникнуть эмиссия связанная с процессами в порах на поверхности. Ранее показано, что
уже при напряженностях поля 105–106 В/м плотности токов с пористых катодов могут достигать
1 А/м2 [2]. Ввиду того, что эмитируются не только электроны, но и отрицательные ионы, такая
эмиссия может стать дополнительным источником загрязнения плазмы.
Целью данной работы было исследование образца МПГ-8 графита на низкополевую эмиссию при наличии внешнего электрического поля в зависимости от его газонасыщенности.
Описание установки. Экспериментальная установка состоит из сверхвысоковакуумной
цельнометаллической нержавеющей камеры стандарта CF откачиваемой вакуумным безмасляным
насосом предварительного разряжения VARIAN SH01001UNIV и высоковакуумным турбомолекулярным насосом PFEIFFER TMU071 P. Для контроля напуска газа установка оснащена сверхвысоковакуумным натекателем. При длительной выдержке образца на остаточном вакууме систему
откачки от вакуумной камеры отделяют клапаном. Для обеспечения сверхвысокого вакуума (5×10–
10
торр) камера была оборудована подогревом стенок до 120 °С.
Измерения малых токов осуществлялось при помощи микровольтнаноамперметра ЭК-1601
соединяющегося с катодом посредством экранированного микрофонного коаксиального кабеля и
коаксиального вакуумного ввода.
В камеру помещен крепежный узел, состоящий из катода, анода и керамических изоляторов,
особенностью которого является обеспечение минимального отвода тепла (так, образец закреплен
на тонкой вольфрамовой проволоке диаметром 0,4 мм), а также максимальное удаление мест контакта держателя от эмитирующей поверхности. Исследуемый образец представляет собой параллелепипед с размерами 12×10×15 мм. Поверхность, с которой снимались эмиссионные характеристики, получена в результате разлома и из-за этого имеет повышенную пористость.
С боковой грани образца высверлены два цилиндрических отверстия, в которые помещается
миниатюрная лампа накаливания со срезанным цоколем и хромель-алюмелевая термопара.
Питание лампы осуществлялось с помощью разделительного трансформатора, напряжение
на вторичной обмотке которого регулировалось с помощью автотрансформатора. Температура
образца регистрировалась изолированным от земли милливольтметром.
Была проведена автоматизация системы сбора данных посредством программнографического комплекса Labview 8.6, позволяющего дважды в секунду записывать и выводить на
экран значения тока в промежутке катод–анод, давления в вакуумной камере, температуры образца, а также задавать напряжения на межэлектродном промежутке при помощи АЦП и ЦАП ICP
CON.
Эксперимент с постоянныммагнитом. Между накладками фигурной диафрагмы был установлен постоянный магнит (рис. 1), при котором магнитное поле на оси фигурной диафрагмы было перпендикулярно оси и равнялось 100 Гс. При такой напряженности радиус электронов порядка сантиметра, а ионов – нескольких десятков сантиметров. То есть на ВЭУ с катода могли бы
Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов…
дойти только отрицательные ионы. При 6 кВ ток на аноде был порядка 5 мкА, на первом диноде
ВЭУ порядка 0,6 нА, а на выходе ВЭУ 50 нА (увеличение 102). Это доказывает, что одной из составляющих эмитируемого катодом тока являются отрицательные ионы.
Рис. 1. Схема эксперимента с постоянным магнитом
Термодесорбционный анализ образца. После разлома половинка образца была помещена в
стенд для термодесорбционных измерений [3]. В нем образец нагревался со скоростью 2 град/с до
1300 °С дважды, при этом измерялся сигнал квадрупольного масс-спектрометра по различным
массам (2–4, 12–20, 28, 32 а.е.м.). В ходе первого нагрева наблюдается интенсивное газовыделение
большинства масс, которое заканчивается при температуре около 750 °С. Исключение составляет
водород, выделение которого происходит и при бóльших температурах. При повторном прогреве
газовыделение всех масс на несколько порядков меньше, чем при первом. Таким образом, можно
сделать вывод, что бóльшая часть сорбированного газа может быть удалена прогревом до 750 °С.
Эксперимент с длительным прогревом образца. Эксперимент длился в течение недели с
постоянным подогревом образца до 400 °С и периодическим прогревом стенок (на ночь до
100 °С). Давление при разогретых стенках камеры не опускалось ниже 10–7 торр. Несколько (около
10) раз образец разогревался до 750 °С. Первоначально (сразу после атмосферы) давление
возрастало до 5·10–5 торр, затем с каждым разом падение при прогреве уменьшалось вплоть до
9·10–8 торр, после чего подогрев образца был полностью отключен. Спустя 5 мин, за которые образец успел остыть до комнатной температуры (вакуум сразу после отключения прогрева опустился
до 10–9 торр), было произведено измерение вольт-амперной характеристики (ВАХ). По сравнению
с измерением сразу после атмосферы заметные токи стали возникать при вдвое больших напряженностях внешнего поля и гораздо большей стабильности (до обезгаживания эмиссия начиналась
при 1,5·106 В/м).
Была проведена серия измерений с целью определения изменения эмиссионных токов со
временем при вакуумном промежутке в 2 мм. На рис. 2 показано, что со временем токи при одних
и тех же напряжениях возрастают, что, вероятно, связано с адсорбцией на поверхность атомов.
Была произведена серия измерений при различных давления Не с временным интервалом между
измерениями в 5 мин, затем образец был прогрет до 750 °С в вакууме 10–8 торр. Из ВАХ видно
(рис. 3), что прогрев способствует уменьшению эмитируемых токов. Также можно заключить, что
эмиссия не зависит от давления в вакуумном промежутке (сравнивая характеристики полученные
при давлениях 10–9 и 10–5 торр) и зависит не только от работы выхода (атомы гелия, адсорбируясь,
почти не изменяют работу выхода). Согласно проведенному расчету по формуле Фаулера–
Нордгейма для полевой эмиссии, экспериментально полученные токи совпадают с расчетными
только при коэффициенте усиления внешнего поля β ≈ 230. В программе SIMION 7 была проведена серия расчетов для различных соотношений длин острий на плоскости к длине межэлектродного промежутка. В программе рассчитывались эквипотенциали у поверхности катода. Коэффициент
усиления поля рассчитался как отношение расстояния от катода до определенной (выбранной максимально близко к катоду) эквипотенциали при отсутствии острия к расстоянию при наличии
острия (расстояние от конца острия до выбранной эквипотенциали). Полученные таким образом
коэффициенты никогда не превышали 50. Одним из минусов программы SIMION 7 была невозможность задавать сетку с переменным шагом, что не позволяло рассчитывать эквипотенциали
проходящих на расстоянии меньше пяти радиусов острия. При рассмотрении эквипотенциали
проходящей чуть дальше от острия, чем ранее выбранная, результат для коэффициента усиления
Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов…
сильно не менялся. Поэтому вероятность усиления поля более, чем в 200
раз кажется сомнительной. Если же в
формуле Фаулера–Нордгейма принять
за коэффициент усиления 50 и подобрать работу выхода, то последняя окажется нереально малой (порядка долей
эВ).
Зависимость эмитируемых токов от температуры образца. Был поставлен эксперимент, в котором производилось измерение токов при вакуумном промежутке в 2 мм и напряжении в
вакуумном промежутке в 3,5 кВ по мере
нагрева образца. Также ежесекундно
производилось измерение давления в
камере. В результате были получены
зависимости эмитируемых токов, давления и температуры от времени
(рис. 4). Из графиков видно, что с ростом температуры токи возрастают, а по
мере остывания – возвращаются до
прежнего начального уровня. При этом
измеренные токи не связаны с термоэмиссией от спирали лампы накала
(сама спираль в этом опыте была помещена в керамическую трубку), так как
они возникают спустя минуты после
включения нагревателя, а спираль обезгаживается за 2–3 с, о чем можно судить из маленького пика на графике
давления.
Рис. 2. Изменение ВАХ от времени нахождения
в вакууме после прогрева образца
Рис. 3. Характеристики в зависимости
от давления инертного газа (гелий)
Заключение. В работе проведены
эксперименты по исследованию низкополевой эмиссии с образца графита МПГ-8.
Эмиссионный ток наблюдается при
напряженности поля порядка 106 В/м, что
значительно слабее поля, необходимого
для автоэмиссии.
Предварительный анализ эмиссионного тока из образца с использованием
магнитного поля подтвердил наличие в его
составе помимо электронов отрицательно
заряженных ионов.
Специально поставленный эксперимент с обезгаживанием образца при прогреве показал уменьшение токов холодной
эмиссии по мере его обезгаживания в
сверхвысоком вакууме.
После длительного обезгаживания в
условиях сверхвысокого вакуума вольтамперные характеристики сместились в
область более высоких напряжений и стали стабильно воспроизводиться с неболь-
Рис. 4. Зависимости давления, эмитируемых
токов
и температуры образца от времени эксперимента
Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов…
шим разбросом, в основном следуя зависимостям Фаулера-Нордгейма для полевой эмиссии. Однако для описания ВАХ с помощью зависимости Фаулера–Нордгейма коэффициент усиления поля
должен иметь значение более 200.
Специально поставленный эксперимент с автоматической одновременной регистрацией
давления в камере, температуры образца и тока эмиссии продемонстрировал корреляцию тока
эмиссии со скоростью газовыделения из образца (рис. 4). Эмиссионный ток не пропорционален
скорости газовыделения, однако при постоянной скорости газовыделения сохраняет примерно постоянное значение.
Масс-спектрометрический термодесорбционный анализ показал, что основными компонентами газовыделения при температурах, соответствующих эмиссионным измерениям, являются водород и вода. Обезгаживание образца до 750 °С приводило к полному удалению газов из образца
(за исключением водорода).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Kurnaev V. A. Tatarinova N. V. // Journal of Nuclear Material. 1995. P. 939.
Татаринова Н. В.// Вакуумная техника и технология. 2003. Т. 13. № 1. C. 3.
Русинов А.А., Гаспарян Ю.М., Перелыгин С.Ф. и др.// Приборы и техника эксперимента. 2009. № 6. C. 116.