High-voltage Glow Discharge Research Articles

Evaluation of the thermal regime of the cathode operation of a high-voltage glow discharge electron gun, which forms a ribbon electron beam

The article discusses the various methods of estimating the surface cathode temperature of the high-voltage glow discharge electron gun, which forms a ribbon electron beam with a linear focus. Numerical estimations have been made to design the cathode assembly of an industrial gun. It is shown that the most effective way to make approximate estimates of the temperature of the cathode surface in high-voltage glow discharge electron guns for various technological purposes is to use arithmetic-logical ratios for modeling the geometry of the cathode assembly and locus functions for estimating the temperature distribution. The accuracy of such estimates, made using the heat balance equation, was 5–10%, sufficient at the initial stage of designing an electron gun. It is shown that using the SolidWorks CAD software complex for designing high-voltage glow discharge electron guns is effective only for solving the complex engineering design tasks and preparing the corresponding technical documentation. The results of the theoretical research published in the article are of interest to a wide range of specialists engaged in developing electron beam equipment and its implementation in industrial production.

Field reversal in low pressure, unmagnetized radio frequency capacitively coupled argon plasma discharges

In general, the radio frequency (rf) electric field within a sheath points toward the metal electrode in low pressure, unmagnetized rf electropositive capacitively coupled plasma (CCP) glow discharges. This is due to the large ratio of electron to ion mobility and the formation of an ion sheath. In this work, we studied, using fully kinetic particle-in-cell simulations, a reversed electric field induced by the strong secondary electron emission during the phase of sheath collapse in a high-voltage rf-driven low pressure CCP glow discharge. We explored the transition behavior of the formation of field reversal as a function of driving voltage amplitude and found that field reversal starts to form at around 750 V, for a discharge with an electrode spacing of 4 cm at 10 mTorr argon pressure driven at 13.56 MHz. Accordingly, the energy distribution function of electrons incident on the electrode shows peaks from around 3 to 10 eV while varying the driving voltage from 150 to 2000 V, showing potentially beneficial effects in plasma material processing where relatively directional electrons are preferred to solely thermal diffusion electrons.

Hollow Cathode Glow Discharge Initiation in a Fore-Vacuum Plasma–Cathode Electron Source

In this article, we present the results of a study on the initiation of a hollow cathode discharge in the electrode system of a fore-vacuum plasma–cathode electron source. It is shown that the development of the hollow cathode effect is facilitated by the back-streaming ion flux of the high-voltage glow discharge (HGD) that arises in the accelerating gap of the electron source. The effect of the type of operating gas and the cathode hollow geometry on the value of the initiating accelerating voltage, which ensures the HGD back-streaming ion flux, have been studied. It is proposed to use an auxiliary pulsed surface flashover discharge to trigger the hollow cathode discharge. The two methods used jointly provide a stable discharge initiation in the entire operating pressure range of the source, including the ultimately low-pressure range where the operation of the hollow cathode discharge in its low-voltage form is still stable.

Моделювання електродних систем газорозрядних гармат з фокусуванням електронного пучка в магнітному полі короткої лінзи

In the article, based on the analysis of the basic provisions of the theory of high - voltage glow discharge (HVGD), a method of modeling electrode systems of gas discharge guns with focusing of the electron beam in the field of a short magnetic lens is proposed. To calculate the electric field in the electrode system the finite-difference Poisson equation has been used, which, to simplify its using in the software, is written in the form of an arithmetic-logical expression. Analysis of the guiding of the electron beam in the free drift region was performed with using a system of equations of discrete mathematics based on the Rutherford scattering model. A numerical algorithm for calculating the focus position of the electron beam and its focal diameter is also proposed. To estimate the position of the plasma boundary, a simulation method based on the conversion of the anode plasma volume from a one-dimensional system to the actual spatial geometry of the electrodes was used. In this case, the calculation of the height of the anode plasma in a real electrode system is reduced to the analytical solution of the cubic equation. The calculation of the magnetic field of a short lens was performed using the Yavor model. To implement the proposed methods of modeling HVGD guns, it is proposed to use arithmetic and logical expressions and methods of matrix programming. The obtained results of calculations on the distribution of the electric field in the electrode system, the boundary trajectories of the electron beam in the field of magnetic lense, as well as the distribution of the current density in the focal plane of the hollow electron beam with the ring focus are presented.

Methods and algorithm for calculating the focal parameters of a hollow conical electron beam in high-voltage glow discharge electron guns with a focusing magnetic lens

The algorithm is considered for calculating the focal distance of a hollow conical electron beam generated by high-voltage glow discharge electron guns with magnetic focusing of the beam in the drift region, as well as a method for calculating the diameter of the focal ring and its thickness for such a beam. The proposed algorithm is based on the theory of electron drift in the field of a focusing magnetic lens and is designed using the methods of discrete mathematics and the minimax analysis. The obtained simulation results made it possible to establish the influence of the magnetic lens current on the focal diameter of a hollow conical electron beam and on its focal ring thickness. It is shown that the change in the focal parameters of a hollow conical electron beam can be effectively provided through the regulation of the magnetic lens current.

Wide-Aperture, Low-Energy Electron Accelerators Based on High-Voltage Glow Discharge

The paper describes the operation and design specifics of wide-aperture accelerators based on non-self-maintained high-voltage glow discharge. Shown are the advantages of these accelerators over the conventional accelerators based on a number of longitudinal thermal emitters. The paper presents the main characteristics and parameters of accelerators developed at the Efremov Institute of Electrophysical Apparatus, Saint-Petersburg, Russia, and applied in different fields of science and technology.

ТЕОРЕТИЧНЕ ОЦІНЮВАННЯ РОБОЧОГО ТИСКУ ГАРМАТ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ ДЛЯВИКОРИСТАННЯ В ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВІЙ ТЕХНОЛОГІЇ ЗВАРЮВАННЯ МЕТАЛЕВИХ ВИРОБІВ

У статті проведений порівняльний аналіз методів аналітичного та чисельного розрахунку глибини зварювального шва металевих виробів за умови здійснення зварювання у низькому вакуумі електронним пучком, який формується гарматою високовольтного тліючого розряду. Показано, що хоча аналітичний метод розрахунку є простим та зручним, але, у разі його використання, розрахункові залежності правильно відображають динаміку зміни глибини шва лише у разі малих тисків та високої прискорювальної напруги. У даному випадку проблема забезпечення точності та адекватності аналітичних розрахунків за простими співвідношеннями насамперед пов’язана з тим, що не враховується залежність діаметра електронного пучка в фокусі від його струму. Запропонований чисельний метод розрахунку дозволяє оцінювати глибину шва в значно більш широкому діапазоні робочих тисків електронної гармати. Для розрахунку глибини зварювального шва були використані відомі прості аналітичні залежності, які дозволяють обчислити глибину проплавлення металу залежно від його термодинамічних властивостей, а також геометричних та енергетичних параметрів електронного пучка. Як параметри пучка розглядалися прискорювальна напруга, струм пучка та його фокальний діаметр. Для проведення аналітичних та чисельних оцінок були окремо враховані існуючи аналітичні залежності фокального діаметру електронного пучка від його струму, а також залежність струму електронної гармати високовольтного тліючого розряду від тиску у розрядній камері. Чисельні розрахунки проводились через аналіз функціональної залежності, в яку входили глибина зварювального шва та тиск газу у розрядній камері гармати як явні параметри, та через пошук нульового значення цієї функції шляхом розв’язування відповідного нелінійного рівняння. Аналіз поведінки функції у заданому інтервалі значень тиску та глибини зварювального шва показав, що така постановка задачі є цілком коректною з математичної точки зору. У статті наведені результати тестових аналітичних та чисельних розрахунків залежності глибини зварювального шва від тиску гелію в розрядній камері гармати, отримані для виробів із титану, та проведений аналіз отриманих розрахункових результатів.

Широкоапертурные низкоэнергетичные ускорители электронов АО «НИИЭФА» на основе высоковольтного тлеющего разряда

Широкоапертурные низкоэнергетичные ускорители электронов АО «НИИЭФА» на основе высоковольтного тлеющего разряда

Comparison of Large-Area Low-Energy Electron Accelerators Based on a High-Voltage Glow Discharge with Accelerators Based on Longitudinal Filaments

Abstract—A wide-aperture low-energy electron accelerator based on a high-voltage glow discharge (HVGD) is considered in comparison with accelerators based on a number of longitudinal filaments. The basic design features and advantages of HVGD-based accelerators are presented. These studies showed that it is possible to obtain high values of the density of the electron beam current extracted from the foil (56 µA/cm2) and rather high values of the beam extraction efficiency (35%) in comparison with the previously attained results. The obtained characteristics are comparable with the parameters of the accelerators based on a number of longitudinal filaments. The ability of the accelerator to operate with HVGD is demonstrated both in continuous and pulse–periodic modes without a change in its design. Various ion–electron optical systems of HVGD accelerators have been studied and the advantages of slit-type systems are shown.

Gas-Discharge High-Frequency Generators for Materials Processing

A new approach to the selection of high-frequency oscillations generated in high-voltage glow discharge plasma is developed. It is based on the appearance of pressure pulsations arising during collisions of the inflowing working gas stream with an obstacle. A spatial inhomogeneity in concentration of high-voltage glow discharge plasma (14 kV and 30 mA) caused by pressure pulsations results in discharge combustion instability. The difference between the ignition and combustion voltages of the discharge provides the ionization processes as well as the high-frequency (HF) oscillations at a frequency of 5 MHz selected by an oscillatory circuit. The fraction of power transformed into HF-oscillations reaches 40%. Testing of this oscillator in etching of a lithium niobate crystal demonstrates that the surface charges are removed from the substrate not only by the plasma, but also by displacement and recharge currents. An etching rate of 5 μm/h has been achieved.

ВИБІР МЕТОДУ ІНТЕРПОЛЯЦІЇ ГРАНИЧНИХ ТРАЄКТОРІЙ КОРОТКОФОКУСНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПУЧКІВ ЗА УМОВИ ЇХНЬОГО ТРАНСПОРТУВАННЯ В ІОНІЗОВАНОМУ ГАЗІ

У статті проведений порівняльний аналіз методів інтерполяції залежності радіуса короткофокусного електронного пучка від положення площини зрізу за повздовжньою координатою по трьом базовим точкам. Інтерполяція проводиться на основі отриманих даних чисельного моделювання. Показано, що головна особливість аналітичних функцій, які описують такі залежності, полягає у тому, що вони мають один глобальний мінімум, а за межами області мінімуму характер цих залежностей є близьким до лінійного. Розглядаються два можливих методи інтерполяції таких залежностей. Перший з цих методів полягає у тому, що в області фокуса пучка використовується параболічна інтерполяція, а за межами цієї області функція має лінійний характер. Для описання таких залежностей використовується апарат математичної логіки та арифметико-логічні вирази. Недолік такого описання граничних траєкторій електронних пучків за умови їх проведення в іонізованому газі полягає у тому, що важко знайти таку базову точку, у якій необхідно здійснювати перехід від лінійної залежності до параболічної. Другий метод інтерполяції базується на використанні класу спеціальних функцій, якими є корені степені n з поліномів тієї ж самої степені. З використанням методів комп’ютерного моделювання показано, що поведінка таких функцій цілком відповідає яружним залежностям, які описують траєкторії короткофокусних електронних пучків за умови їхнього транспортування в іонізованому газі. Показано, що у разі використання таких функцій інтерполяції розбіжність між результатами чисельного моделювання, які інтерполюються, та значеннями функції інтерполяції, не перевищує кількох відсотків, а для більшості випадків складає частку відсотка. Тобто, на основі тестових комп’ютерних експериментів обґрунтовано, що використання як функцій інтерполяції коренів степені n з поліномів тієї ж самої степені є ефективним інструментом для описання граничних траєкторій короткофокусних електронних пучків в іонізованому газі. Отримані в статті результати мають важливе практичне значення для визначення фокальних параметрів короткофокусних електронних пучків, які формуються джерелами електронів на основі високовольтного тліючого розряду.

Theory of High-Voltage Glow Discharge with the Generation of a Monoenergetic Electron Beam

A kinetic theory of high-voltage glow discharge (HVGD) is developed. The Poisson equation in the space charge layer is solved taking into account the flow of ions coming from the plasma into the layer, the ionization of gas in the layer via electrons, ions, and fast atoms. On the cathode there is a potential and kinetic extraction of electrons from the surface. For different values of the gas density and secondary emission yield, the current–voltage characteristic is calculated, the dimensions of the space charge layer are determined, and electric field distributions in the layer are present, as well as other HVGD characteristics. The proposed mathematical model can be used to calculate the characteristics of electron accelerators based upon HVGD.

Algorithm of calculation of focal parameters of profile electron beams, formed by the gas-discharge electron guns

An algorithm of calculation of the focal distance of a hollow conical electron beam, formed by high voltage glow discharge electron guns, as well as the calculation of the diameter and thickness of a focal ring of such a beam, are considered in the article. The proposed algorithm is based on the model of free moving of electrons in the anode plasma and formed on the base of the laws of electron optics with using the methods of discrete mathematics and minimax analysis. Obtained simulation results allow to find the important regularities, which characterized the dependencies of focal parameters of a hollow conical electron beam, formed by the high voltage glow discharge electron guns, on the constructive parameters of electrodes’ system of the electron gun.

Modeling of Electron Sources for High Voltage Glow Discharge Forming Profiled Electron Beams

The methodology of simulation of high voltage glow discharge electrodes’ systems with anode plasma, formed the profile electron beams with the ring-like focus, is considered in the article. The universality of proposed model is confirmed by the fact, that the slope angle of generatrix line of conic anode surface correspond to the axis of the electrodes system have been chosen as one of model parameters. Such novel solution has led to simulating the different types of electrodes’ systems, which form the profiled electron beams. The position of plasma boundary in considered high voltage glow discharge electrodes’ systems is firstly calculated on the basis of one-dimensional model of discharge gap, and after that recalculated with taking into account the real geometry of electrodes’ system. Such approach allows to significantly simplify the proposed mathematical model and to avoid using the sophisticated iteration numerical methods for defining plasma boundary form and position without decreasing the accuracy of simulation results. The results of simulation of plasma boundary position are compared with obtained experimental data and disagreement between simulation and experimental results is nearly 10–15%. The results of simulation of distribution of electric field in the cathode-fall region as well as results of simulation of distribution of beam current density in the ring-like focus of formed hollow electron beam are presented in the article. The simplicity and universality are the main advantages of the proposed model.

Theory of High-Voltage Glow Discharge with Allowance for the Thermal Emission of Electrons

A kinetic theory of high-voltage glow discharge is developed with allowance for secondary electron emission and thermal emission. Poisson’s equation is solved for the space charge layer with allowance for the ion flux from the plasma to the layer and gas ionization in the layer by electrons, ions, and fast atoms. There are potential and kinetic ejections of electrons from the cathode surface. The current–voltage characteristics are calculated, the sizes of the space-charge layer are determined, and the electric-field distributions in the layer and some other characteristics of discharge with combined emissions are obtained for different ratios of the thermal emission current density to the secondary electron emission current density. It is shown that the thermal emission significantly affects the discharge parameters.

PARTICULARITIES OF USING THEE METHODS OF MATRIX PROGRAMMING IN THE MATHEMATICAL MODELS OF HIGH VOLTAGE GLOW DISCHARGE ELECTRON SOURCES

Possibilities and particularities of using of arithmetic-logic equations in complex models of high voltage glow discharge electron sources are considered in the article. Such electron sources are find wide application in electronic industry, device production and mechanic engineering for electron beam welding, brazing, annealing of produced items, for deposition of composed ceramics films and coatings, as well as for refining of refractory materials with using of electron-beam refusing in the soft vacuum. Main problem of designing of technological high voltage glow discharge electron sources is absence of complex physical-mathematic models. This fact is caused by complicity of physical processes, taking place in the discharge gap at conditions of low and middle vacuum, and it generally holding back the elaboration and providing in industry such advanced electron sources. Complex physic-mathematic model of high voltage glow discharge electron sources, based on apply­ ing of arithmetic-logic relations and methods of matrix programming, is proposed in the article. Main physical processes, taking place in the high voltage glow discharge, as well as mathematic means for describing these processes, and main items of elect­ ron gun, are considered. Mathematic relations for proposed model are written in the form of arithmetic-logic equations. The results of simulation of distribution of elect­ ric field in the discharge gap, distribution of power density of electron beam in the fo­ cus and guiding of electron beam in the equipotential channel, are presented. Its have been shown, that using of arithmetic-logic relations is significantly simplified realiza­ tion of proposed physic-mathematic model with using the means of matrix program­ ming. Possibilities of providing parallel calculations are also analyzed.

Обобщенная методика оценки и аппроксимации положения и формы границы анодной плазмы в электродных системах источников электронов высоковольтного тлеющего разряда

Обобщенная методика оценки и аппроксимации положения и формы границы анодной плазмы в электродных системах источников электронов высоковольтного тлеющего разряда

Recent experiments on plasma immersion ion implantation (and deposition) using discharges inside metal tubes

Plasma immersion ion implantation (PIII) of nitrogen inside metallic tubes of different diameters and configurations were attempted recently. PIII tests in practical size metallic tubes of SS304, ranging from 1.1 to 16 cm∅ and length of 20 cm, were carried out as a continued effort in our lab, to explore PIII inside tubes. Tubes in laying down positions and configurations including metallic lid in one side or both sides open were used, as well as, plane sample support placed 10 cm far from the tube mouth and without bias, taking advantage of plasma flowing out the tube. In particular, nitrogen and argon PIIIs were tested for tube inner wall sputtering and deposition studies, running the PIII system in the last configuration of sample support detached from the tube. During the nitrogen ion implantation runs in other cases, it was found that the final temperature of the tubes and the plasma turn-on voltages were both inversely proportional to the dimensions of the tubes, except for the smallest tube tested. High voltage glow and hollow cathode discharges were produced inside the tubes, either alternately, during the pulse or independently, depending on the tube geometry and pulser used (LIITS, a current controlled source or RUP-4, a voltage controlled one). In the case of smallest diameter of 1.1 cm∅, a suspended tube of SS304 was tested using lower power pulser (RUP-4), at its near maximum capability of 1.2 kW. In this case also, very bright plasmas were formed, mainly inside the tube and resulted in high temperature there (~700 °C). Nitrogen uptake was superior for higher temperature PIII treatments (>700 °C), combining ion implantation and thermal diffusion, which allowed the formation of TiN and Ti2N on the Ti alloy samples inside tubes with diameters ≤4 cm. In this paper, detailed discussion of results of above cited PIII tests with diversified tubes and configurations are presented, together with the analysis of the corresponding treated surfaces of the samples inside, outside and on the support detached from the tube.

ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ТРІОДНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ГАРМАТ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ ІЗ ПЛОСКИМ ДОПОМІЖНИМ ЕЛЕКТРОДОМ

У статі описується математична модель тріодних електродних систем високовольтного тліючого розряду із плоским допоміжним електродом. Такі електронні гармати знаходять широке впровадження у промисловості для виконання технологічних операцій зварювання, паяння, відпалювання виробів, нанесення композитних керамічних покриттів та для переплавлення тугоплавких металів з метою їх очищення від шкідливих домішок. Запропонована математична модель базується на визначенні положення плазмової межі через аналітичне розв’язування кубічного рівняння з використанням формул Кордано з урахуванням реальної геометрії електродів. Задача пошуку положення плазмової межі в електродній системі високовольтного тліючого розряду вирішується через розв’язок рівняння балаансу заряджених часток у розрядному проміжку. Спочатку задача визначення положення плазмової межі відносно катода була розв’язана для аксиально-симетричної системи із лінійною геометрією електродів. У статті розглянута структурна схема такої електродної системи та визначені базові параметри сформованої математичної моделі. Після цього, також через аналітичне розв’язування кубічного рівняння з використанням формул Кордано, отримана формула для перерахунку положення плазмової межі з одномірної системи до системи із конусним анодом. У статті також отримані формули для разрахунку енергетичної ефективності тріодної електронної гармати із конусним анодом та пламтинчатим електродом. Наведені та проаналізовані результати розрахунку енергетичної ефективності реальної електронної гармати. Розрахункові результати порівнюються з експериментальними даними. Всі експерименти були проведені в лабораторії електронно-променевих технологічних пристроїв Національного технічного університета України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Отримана точність розрахунків, порівняно із експериментальними даними, складає біля 10 – 15%. Отримані в статті наукові результати є вкрай цікавими та важливими для науковців та інженерів, які займаються розробкою електронно-променевого технологічного обладнання та його впровадженням у сучасне виробництво.

Моделирование триодных источников электронов высоковольтного тлеющего разряда с пластинчатым управляющим электродом и коническим анодом.

Моделирование триодных источников электронов высоковольтного тлеющего разряда с пластинчатым управляющим электродом и коническим анодом.