Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Modeling of a self-sustained high-voltage glow discharge in a source with a grid plasma cathode

T.V. Koval1, R.A. Kartavtsov1, M.S. Vorobyov1, N.N. Koval1, S.Y. Doroshkevich1, A.A. Grishkov1

1 Institute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.13 UDC 537.525 EDN ILULMS

Abstract

The operating mode of the "SOLO" electron source with a grid plasma emitter is numerically analyzed, in which the ion flow from the accelerating gap, created not only by ionization of the working gas, but also by melting, evaporation and ionization of the vapors of the collector material, determines the nature of the current flow in the accelerating gap after switching off the auxiliary arc discharge current. This mode initiates the ignition and maintenance of a high-voltage glow discharge, fed from a single high-voltage DC source with an amplitude of up to 15 kV, and provides relaxation beam current pulses of several hundred amperes with a duration of tens of microseconds over a total duration of up to one millisecond. The paper presents the results of numerical modeling, which reflect the main regularities of the implemented oscillatory mode of electron beam generation, associated with the entry of this additional flow of accelerated ions into the grid plasma emitter, from where electrons are extracted into a high-voltage glow discharge, facilitating its self-sustaining.

  • High-voltage glow discharge
  • electron beam
  • plasma cathode
  • beam current oscillations
  • electron source
Аннотация (на русском)

Моделирование самостоятельного высоковольтного тлеющего разряда в источнике с сетчатым плазменным катодом

Численно проанализирован режим работы источника электронов «СOЛO» с сеточным плазменным эмиттером, в котором поток ионов из ускоряющего промежутка, создаваемый не только за счёт ионизации рабочего газа, но и за счет плавления, испарения и ионизации паров материала коллектора, определяет характер протекания тока в ускоряющем промежутке после отключения тока вспомогательного дугового разряда. Такой режим инициирует зажигание и поддержание высоковольтного тлеющего разряда, питаемого от одного высоковольтного источника постоянного напряжения амплитудой до 15 кВ, и обеспечивает релаксационные импульсы тока пучка в несколько сотен ампер с длительностью десятки микросекунд в течение общей длительности до одной миллисекунды. В работе приведены результаты численного моделирования, которые отражают основные закономерности реализуемого колебательного режима генерации электронного пучка, связанные с попаданием этого дополнительного потока ускоренных ионов в сеточный плазменный эмиттер, откуда извлекаются электроны в высоковольтный тлеющий разряд, способствуя его самоподдержанию.

For citation

Koval T.V., Kartavtsov R.A., Vorobyov M.S., Koval N.N., Doroshkevich S.Y., Grishkov A.A. Modeling of a self-sustained high-voltage glow discharge in a source with a grid plasma cathode // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.13

References

  1. Коваль Н.Н., Окс Е.М., Протасов Ю.С., Семашко Н.Н., Эмиссионная электроника (МГТУ им Н. Э. Баумана, Москва, 2009), с. 595.
  2. Бурдовицин В.А., Климов А.С., Медовник А.В. и др. Форвакуумные плазменные источники электронов // Томск: Изд-во Томского Университета. - 2014. - 288 с.
  3. Гушенец В.И., Коваль Н.Н., Щанин П.М. Генерация сильноточных электронных пучков наносекундной длительности с высокой частотой повторения импульсов // Письма в ЖТФ. - 1990. - Т. 16. - №8. - С. 12.
  4. Воробьёв М.С., Коваль Н.Н., Сулакшин С.А. Источник электронов с многоапертурным плазменным эмиттером и выводом пучка в атмосферу. // ПТЭ. - 2015. - №5. - С. 112-120. https://doi.org/10.7868/S0032816215040138.
  5. Воробьёв М.С. и др. Динамическое управление мощностью мегаваттного электронного пучка субмиллисекудной длительности в источнике с плазменным катодом // Письма в ЖТФ. - 2021. - Т. 47. - В. 10. - С. 38-42. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.10.50972.18719.
  6. Девятков В.Н. и др. Электронный источник с многодуговым плазменным катодом для генерации модулированного пучка субмиллисекундной длительности //Письма в Журнал технической физики. - 2024. - Т. 50. - №. 19. - С. 25-28. https://doi.org/10.61011/PJTF.2024.19.58652.19995.
  7. Гушенец В.И., Бугаев А.С., Окс Е.М. Конструкция и рабочие характеристики электронного источника с полым катодом и несамостоятельным высоковольтным тлеющим разрядом // Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. - 2022. - С. 746-751. https://doi.org/10.56761/EFRE2022.C1-P-001601.
  8. Картавцов Р.А. и др. Сильноточный высоковольтный тлеющий разряд с электродуговым сеточным плазменным катодом // ПЖТФ. Принята в печать.
  9. Метель А.С., Григорьев С.Н., Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов: физика, техника, применения. М.: ИЦ МГТУ "Станкин", "Янус-К", 2005., 300 с.
  10. Korolev Y. D. et al. High-current stages in a low-pressure glow discharge with hollow cathode //IEEE Transactions on Plasma Science. - 2013. - V. 41. - №. 8. - P. 2087-2096. https://doi.org/10.1109/TPS.2013.2266675.
  11. Nikulin S. P. Influence of the emission of charged particles on the characteristics of glow discharges with oscillating electrons //Russian physics journal. - 2001. - V. 44. - №. 9. - P. 969-976.
  12. Nguyen Bao Hung, T.V. Koval, Tran My Kim An / Mathematical modeling of discharge plasma generation and diffusion saturation of metals and alloys [Electronic resource] /Atlantis Press: Advances in Computer Science Research, Information technologies in science, management, social sphere and medicine, 2016. - https://doi.org/10.2991/itsmssm-16.2016.93.
  13. Devyatkov V.N. et al. Generation and propagation of high-current low-energy electron beams //Laser and Particle Beams. - 2003. - V. 21. - №. 2. - P. 243-248. https://doi.org/10.1017/S026303460321212X.
  14. Москвин П.В. и др. Динамика извлечения электронов из сеточного плазменного катода на основе дугового разряда низкого давления //Письма в Журнал технической физики. - 2023. - Т. 49. - №. 11. - С. 43-46. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.11.55538.19557.
  15. Коваль Т. В., Коваль Н. Н., Ашурова К. Пространственно-временная динамика дуги низкого давления и генерируемого пучка в источнике электронов с сеточным плазменным эмиттером //Теплофизика высоких температур. - 2022. - Т. 60. - №. 4. - С. 488-495. https://doi.org/10.31857/S0040364422040160.
  16. Bleykher G. A. et al. Energy and substance transfer in magnetron sputtering systems with liquid-phase target //Vacuum. - 2016. - V. 124. - P. 11-17. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.11.009.