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Submitted on 1 Jan 1971
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FONCTIONNEMENT A HAUTE PRESSION DES DECHARGES D’ARC A CATHODE CREUSE
(CATHOTRONS)
J. Delcroix, H. Minoo, C. Popovici
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J. Delcroix, H. Minoo, C. Popovici. FONCTIONNEMENT A HAUTE PRESSION DES DECHARGES D’ARC A CATHODE CREUSE (CATHOTRONS). Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-171-C5b-173. �10.1051/jphyscol:19715114�. �jpa-00214689�
FONCTIONNEMENT A HAUTE PRESSION DES DECHARGES D'ARC A CATHODE CREUSE (CATHOTRONS) J.L. Delcroix, H. Minoo, C. Popovici
L a b o r a t o i r e de Physique d e s Plasmas, u n i v e r s i t é Paris-Sud, Centre d'Orsay, 91 - Orsay.
Résumé - Nous avons obtenu un fonctionnement s a t i s f a i s a n t d e s décharges d ' a r c s à cathode c r e u s e à haute p r e s s i o n ( 1 < p < 760 T o r r ) g r â c e à une a m é l i o r a t i o n i m p o r t a n t e des ca- t h o d e s . C e t t e a m é l i o r a t i o n c o n s i s t e à compenser l e s p e r t e s thermiques de l a cathode p a r un chauffage supplémentaire du gaz i n j e c t é p a r l a cathode e t de l a cathode elle-même.
Ceci a donné n a i s s a n c e à un nouveau t y p e d ' é l e c t r o d e s que nous avons a p p e l é e s "CATHGTRON"
A b s t r a c t - We o b t a i n e d a s a t i s f a c t o r y o p e r a t i o n of t h e hollow cathode a r c d i s c h a r g e s a t high p r e s s u r e ( 1 < p < 760 ~ o r r ) due t o an important a m e l i o r a t i o n o f t h e cathode. T h i s a m e l i o r a t i o n c o n s i s t s of compensating t h e cathode h e a t l o s s e s by an a d d i t i o n a l h e a t i n g of t h e i n j e c t e d g a s o r t h e cathode i t s e l f . T h i s gave r i s e t o a n e w t y p e of e l e c t r o d e s t h a t we c a l l e d "CATHOTRON".
1 - INTRODUCTION s o n t p a r t i c u l i è r e m e n t s o u h a i t é s dans l e s a p p l i c a - Dans l e s t u b e s à décharge, l e passage du courant t i o n s e x i g e a n t des c o u r a n t s t r è s i n t e n s e s avec une e n t r e l a phase s o l i d e ( é l e c t r o d e ) e t l a phase ga- durée de v i e r a i s o n n a b l e d e s é l e c t r o d e s , un plasma zeuse e s t accompagné t o u j o u r s p a r une d é t é r i o r a t i o n "propre", dense, fortement i o n i s é e t peu bruyant p l u s ou moins r a p i d e de l ' é l e c t r o d e . C e t t e d é t é r i o - (plasma calme).
r a t i o n e s t en g é n é r a l p l u s importante dans l a r é - b ) Cathode c r e u s e à canaux m u l t i p l e s - Afin g i o n cathodique. E l l e c r o î t avec l e c o u r a n t de l a d ' a m é l i o r e r l e s performances de c e s cathodes nous décharge e t pour un courant suffisamment é l e v é ( e n a v i o n s r é a l i s é e t mis au p o i n t des é l e c t r o d e s creu- g é n é r a l en régime d ' a r c ) e l l e e s t t e l l e m e n t i n t e n s e s e s à canaux m u l t i p l e s [2], 131. E l l e s ont permis que l a durée de v i e de l ' é l e c t r o d e ( e t en p a r t h c u - d ' é l a r g i r l a zone a c t i v e ( z . A . ) , d'augmenter l a du- l i e r l a cathode) d e v i e n t sévèrement compromise. r é e de v i e de l a cathode e t de diminuer l a t e n s i o n Pour l i m i t e r l a d é t é r i o r a t i o n de l ' é l e c t r o d e dans V de l a décharge.
l e s p r o p o r t i o n s a c c e p t a b l e s , i l f a u d r a i t diminuer De façon g é n é r a l e l e fonctionnement o p t i m a l de c e s l a d e n s i t é du courant au niveau de l a zone de t r a n - deux t y p e s d ' é l e c t r o d e s ( à c a n a l simple ou à canaux s i t i o n solide-gaz (zone a c t i v e ) ; autrement d i t m u l t i p l e s ) n ' e s t s a t i s f a i s a n t qu'aux b a s s e s p r e s - é l a r g i r l e s dimensions de l a zone. s i o n s ( p < 1 ~ o r r ) (21. On c o n s t a t e expérimentale- a ) Cathode c r e u s e à c a n a l unique - Une s o l u t i o n ment qu'au f u r e t à mesure qu'on augmente l a p r e s - p o s s i b l e de ce problème c o n s i s t e à u t i l i s e r des Ca- s i o n l e s dimensions de l a zone a c t i v e diminuent, s a thodes c r e u s e s à f l u x de gaz e t Èï c a n a l unique [ l ] t e m p é r a t u r e augmente e t l a zone s e déplace v e r s l a
[2]. En réginie normal [2] du fonctionnement de l a s o r t i e de l a cathode. A i n s i pour d e s p r e s s i o n s de décharge, l a cathode a t t e i n t une température maxi- l ' o r d r e ou s u p é r i e u r e s a u T o r r , s e p r o d u i t un excès male de l ' o r d r e de 2000 O C . C e l l e - c i é t a n t p l u s de l a s o l l i c i t a t i o n thermique de l a cathode, qui f a i b l e que dans l e s t a c h e s cathodiques des a r c s r é d u i t fortement l a durée de v i e de c e l l e - c i e t f a - c l a s s i q u e s , l e dégagement de vapeur e s t beaucoup v o r i s e l e passage de l a décharge du régime d ' a r c à p l u s f a i b l e que pour ces d e r n i e r s e t donc l a durée cathode c r e u s e au régime d ' a r c c l a s s i q u e , L'analyse de v i e de l ' é l e c t r o d e e t l a p u r e t é de plasma s e du b i l a n é n e r g é t i q u e de l a r é g i o n cathodique [ b ] t r o u v e n t améliorées. En p l u s l'absence de t a c h e montre que l e s e f f e t s thermiques s o n t à l ' o r i g i n e l o c a l i s é e rend l e plasma p l u s calme. Ces avantages du r é t r é c i s s e m e n t d e l a zone a c t i v e . Une s o l u t i o n
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715114
J. L. DELCROM ET AL.
simple de ce problème c o n s i s t e donc à compenser l e s p e r t e s thermiques p a r un chauffage s u ~ ~ l é m e n - t a i r e du gaz i n j e c t é p a r l a cathode e t de l a catho- de elle-même (21 - C e t t e s o l u t i o n a donné naissance à un nouveau t y p e d ' é l e c t r o d e s que nous avons appe- l é e s "CATHOTRONS" ; c a r ce d i s p o s i t i f r a p p e l l e un peu l e s plasmatrons mais fonctionne avec des catho- des creuses chauffées.
2 - METHODES DE CHAUFFAGE DE LA REGION CATHODIQUE Pour r é d u i r e ou compenser l e s p e r t e s theriniques anaiysées dans l a r é f é r e n c e [4J nous avons envisagé l e s deux s o l u t i o n s s u i v a n t e s :
1 ) S o i t une m e i l l e u r e u t i l i s a t i o n de l ' é n e r g i e créée dans l a région cathodique.
I I ) S o i t un chauffage supplémentaire de l a région cathodique p a r un moyen e x t é r i e u r à l a décharge.
Les f i g u r e s I a e t I b schématisent deux v a r i a n t e s de l a méthode ( 1 ) . Dans ce cas l e gaz en c i r c u l a - t i o n dans l a région oathodique e s t préchauffé pas l ' é n e r g i e c r é é e dans c e t t e région de l ' a r c . Le schéma de p r i n c i p e de l a méthode ( I I ) e s t i l l u s t r é s u r l e s f i g u r e s I c e t Id. I c i l a cathode e s t pré- chauffée s o i t p a r un chauffage H.F. ( I c ) s o i t p a r l ' e f f e t J o u l e en f a i s a n t c i r c u l e r un courant in- t e n s e dans l a masse de l a cathode ( I d ) . C ' e s t c e t t e d e r n i è r e v a r i a n t e de chauffage qui a é t é u t i l i s é e pour l e s r é s u l t a t s p r é s e n t é s dans ce t r a v a i l .
3 - RESULTATS EXPERIMENTAUX - DISCUSSIONS
La f i g u r e 11représent.e l a r é p a r t i t i o n longitudina- l e de l a température de l a s u r f a c e e x t é r i e u r e de l a cathode à une p r e s s i o n p de l ' o r d r e de 100 Torr e t dans l e s c o n d i t i o n s s u i v a n t e s :
a ) En présence du courant de l a décharge
( I D = 3.5 A) mais sans l e préchauffage de l a cathode (courbe a ) .
b ) En présence du courant de préchauffage
( I c h = 80 A) mais l o r s q u e l a décharge e s t a r r ê -
t é e (courbe b ) .
c ) En présence de l a décharge e t du préchauffage (courbe c ) .
Fig. 1 - ~ i f f é r e n t e s méthodes de chauffage de l a cathode.
On c o n s t a t e a i n s i que l e préchauffage de l a catho- de e n t r a î n e :
- un élargissement des dimensions de l a Z.A.
- une diminution f a v o r a b l e de l a température maxi- male de l a Z .A.
- un l é g e r r e c u l de l a Z.A. v e r s l ' i n t é r i e u r de l a cathode.
Une étude systématique des performances des catho- t r o n s à l a p r e s s i o n atmosphérique e t en f o n c t i o n de d i v e r s paramètres de l a décharge ( I D , Ich. Q )
(4) nous ont conduit à r é a l i s e r des d i v e r s t y p e s de d i s p o s i t i f s expérimentaux appelés cathotron 1 , 2 e t 3. La f i g u r e III p r é s e n t e l e schéma s i m p l i f i é du cathotron 1.
FONCTIONNEMENT A HAUTE PRESSION DES DECHARGES D'ARC A CATHODE CREUSE C5b- 173
p = tOO torr
Q = 18 m'ls TPN
Xmm I
6 0 5 0 4 0 5 0 2 0 \ 0 0 Fig. 3 - Cathotron 1 . 1 c a v i t é cathodique ( ~ a ) 2 plaque en Ta
Fige 2 - R é p a r t i t i o n l o n g i t u d i n a l e de l a tempé- cylindre extérieur en Ta r a t u r e de l a s u r f a c e e x t é r i e u r e de l a cathode ; 4 i s o l a n t é l e c t r i q u e
Q d é b i t de l ' a r g o n i n j e c t é p a r l a cathode, ( X = O 5 support de l a cathode r e f r o i d i p a r l ' e a u correspond à l a s o r t i e de l a cathode) ; V D e t Vch
t e n s i o n de décharge e t de préchauffage r e s p e c t i v e - ment.
BIBLIOGRAPHIE
(11 DELCR~IX(J.L.),MINOO(H.),TRINDADE(A.R.), [ 3 ] D E L C R O I X ( J . L . ) B ~ ~ ~ ~ ~ ( ~ . ) ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ( ~ ' ~ ' ) ,
J. de Phys. 1968, 3, 605. Rev. S c i e n t . I n s t r . 1969, 2, 1555.
[ 2 ] MIN00 (H.), Thèse d ' é t a t , Rapport L.P. 94 - [ 4 ] DELCROIX ( J . L . ) , MIN00 (He) , POPOVICI (Cs),
Orsay, 1969. Rapport L.P. 127 - Orsay 1971.
