Основные теоретические положения. Основную информацию о работе ТЭП при проведении испытаний получают по его ВАХ, в которой интегрально отражается все многообразие процессов в межэлектродном

Основную информацию о работе ТЭП при проведении испытаний получают по его ВАХ, в которой интегрально отражается все многообразие процессов в межэлектродном зазоре и на поверхности электродов. Важнейшие свойства дугового разряда в парах цезия в МЭЗ можно смоделировать с помощью ВАХ. Для ТЭП общий вид такой характеристики изображен на рис. 8. Область генерации электрического тока соответствует первому квадранту. В четвертом квадранте показана так называемая «Обратная ВАХ» (ток с коллектора на эмиттер). Зависимость плотности тока от напряжения, как правило, оказывается неоднозначной: функция j(V), измеренная при прямом ходе, т.е. при увеличении абсолютной величины тока (уменьшении выходного напряжения), отличается от обратного хода ВАХ, получаемого при уменьшении проходящего тока (увеличении выходного напряжения). Более подробно с физическими предпосылками такой формы ВАХ можно ознакомиться в [1].

Рассмотрим ВАХ при положительных токах (в первом квадранте). Ниже точки f располагается ВАХ режима с поверхностной ионизацией, выше точки f – дугового режима. Область точки s, в которой ток не зависит от напряжения, называется областью тока насыщения диффузионного режима. Участок lfqm типичен для зажигания дуги (гистерезисная часть ВАХ), и при обратном ходе характеристика следует по линии mqrt. На эксперименте с достаточно большими площадями электродов при поджиге и развитии дугового разряда сначала происходит его стягивание в шнур. Шнурование начинается в точке ВАХ, где участок cm со сравнительно небольшим наклоном переходит в почти вертикальный участок шнурования mqr. На дуговой части ВАХ между участком cm, где реализуется режим с виртуальным эмиттером, или, как его еще называют, затрудненный режим, и участком pn (областью насыщения) имеется переходная точка (w -точка) перегиба ВАХ (колено ВАХ). Уровень плотности тока j_w для этой точки соответствует пересечению линии pn (область насыщения) с экспоненциальной, смещенной на величину барьерного индекса линией Больцмана V_B =const, которая описывается уравнением (1.1), и по нему же определяют ток эмиссии эмиттера j_w.

Ниже точки x – точки холостого хода ТЭП – j < 0 регистрируется обратный электронный ток (ток с коллектора на эмиттер). Обратная ВАХ ТЭП представлена участками d – a и d – b на рис.8.

Семейства ВАХ, зарегистрированные при различных Т_Е, Т_С, P_СS и d, являются исходными данными для идентификации эмиссионно-адсорбционных характеристик электродов и других внутренних параметров ТЭП. Сложность диагностики с помощью ВАХ заключается в отыскании способа идентификации отдельных ее участков и установления взаимосвязи с конкретными параметрами плазмы и электродов. На эксперименте разделить влияние основных параметров по отдельности не всегда удается. Например, изменение температуры эмиттера изменяет не только энергию эмитированных электронов, но и работу выхода эмиттера, т.е. ток эмиссии эмиттера. Давление паров цезия также сказывается не только на рассеянии электронов и ионов в плазме, но и на работе выхода эмиттера и коллектора. В этих случаях теоретические расчеты помогают рассмотреть по отдельности влияние этих параметров (см. [1]).

Для определения эмиссионно-адсорбционных характеристик электродов и эффективности ТЭП можно использовать следующие характерные точки:

· х – напряжение холостого хода;

· s – ток насыщения диффузионного режима;

· f – напряжение поджига низковольтной дуги;

· r – напряжение гашения низковольтной дуги;

· с – точка с минимальным барьерным индексом V_B;

· w – плотность электрического тока для точки перегиба

дуговой ВАХ эмиттерной ветви;

· b – плотность электрического тока для точки перегиба

дуговой ВАХ коллекторной ветви.

При анализе ВАХ будем использовать следующее выражение, связывающее плотность тока j (А/см²) с напряжением V (В) для эмиттера ТЭП при температуре Т_Е (К) и внутренних полных потерях напряжения, которые объединены в значение барьерного индекса V_B (эВ), измеряемого на рис.90 вольтах

. (1.1)

При V_B = 0 получаем уравнение для больцмановской линии, которая определяется потенциальной энергией электронов, покинувших эмиттер при температуре Т_Е.

Рис. 8. Принципиальная форма полной ВАХ ТЭП

Порядок поиска характерных точек ВАХ, необходимых для определения работы выхода электронов эмиттера и коллектора и эффективности ТЭП по дуговой части ВАХ.

1. Определяем точки f и r и выделяем дуговую часть из полной ВАХ.

2. Находим точку с, в которой барьерный индекс V_B достигает минимума V_{B min} на дуговой части ВАХ. Запоминаем значения плотности тока j_C и напряжения V_C.

3. Поиск колена ВАХ. Находим точку пересечения прямой линии pn с построенной по выражению (1.1) линией для T_E и V_{B min} и определяем точку w и плотность тока j_w. С ростом давления P_Cs переход от затрудненного режима к области насыщения эмиссионного тока становится трудно различимым, т.к. выравнивается «крутизна» ВАХ на обоих участках. Поэтому определение точки w рекомендуется проводить для параметра 0.1< P_Csd < 0.6 мм рт.ст.× мм.