Modeling of the Influence of Temperature on the Emission Properties of a Cathode with a Thin Insulating Film in a Glow Gas Discharge and the Discharge Voltage–Current Characteristic

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A model of glow gas discharge in the presence of a thin insulating film on the cathode is formulated. It takes into account that under discharge current flow, due to the bombardment of the cathode by ions, positive charges accumulate on the film and generate strong electric field in it. As a result, field emission of electrons from the cathode metal substrate into the film starts, which, with an increase in its temperature, transforms into thermal-field emission. Electrons move in the film, being accelerated by the electric field and decelerated in collisions with phonons, and some of them leave the film into the discharge, increasing the effective ion-electron emission yield of the cathode. The electric field strength in the film is determined from the condition that the density of the discharge current and the density of the emission current from the cathode metal substrate into the film are equal. The dependences of the film emission efficiency, the effective ion-electron emission yield of the cathode, and the discharge characteristics on the cathode temperature are calculated. It is shown that already at a temperature exceeding room temperature by several hundred degrees, the temperature enhancement of field electron emission from the metal substrate into the film can noticeably influence the cathode emission properties and the discharge voltage-current characteristic.

About the authors

G. G. Bondarenko

National Research University Higher School of Economics

Author for correspondence.
Email: gbondarenko@hse.ru
Russia, 101000, Moscow

V. I. Kristya

Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch

Author for correspondence.
Email: kristya@bmstu.ru
Russia, 248000, Kaluga

M. R. Fisher

Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch

Author for correspondence.
Email: fishermr@bmstu.ru
Russia, 248000, Kaluga

References

  1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: ИД “Интеллект”, 2009. 736 с.
  2. Кудрявцев А.А., Смирнов А.С., Цендин Л.Д. Физика тлеющего разряда. С.-Пб.: Лань, 2010. 512 с.
  3. Byszewski W.W., Li Y.M., Budinger A.B., Gregor P.D. // Plasma Sources Sci. Technol. 1996. V. 5. № 4. P. 720. https://www.doi.org./10.1088/0963-0252/5/4/014
  4. Hadrath S., Beck M., Garner R.C., Lieder G., Ehlbeck J. // J. Phys. D. 2007. V. 40. № 1. P. 163. https://www.doi.org./10.1088/0022-3727/40/1/009
  5. Murphy E.L., Good R.H. // Phys. Rev. 1956. V. 102. № 6. P. 1464. https://doi.org./10.1103/PhysRev.102.1464
  6. Modinos A. Field, Thermionic, and Secondary Electron Emission Spectroscopy. N.Y.: Springer Science, 1984. 376 p.
  7. Ptitsin V.E. // J. Phys.: Conf. Ser. 2011. V. 291. P. 012019. https://www.doi.org./10.1088/1742-6596/291/1/012019
  8. Radmilović-Radjenović M., Radjenović B. // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V. 17. № 2. P. 024005. https://www.doi.org./10.1088/0963-0252/17/2/024005
  9. Venkattraman A. // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. № 19. P. 194101. https://www.doi.org./10.1063/1.4876606
  10. Haase J.R., Go D.B. // // J. Phys. D. 2016. V. 49. № 5. P. 055206. https://www.doi.org./10.1088/0022-3727/49/5/055206
  11. Benilov M.S., Benilova L.G. // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. № 6. 063307. https://www.doi.org./10.1063/1.4818325
  12. Riedel M., Düsterhöft H., Nagel F. // Vacuum. 2001. V. 61. № 2–4. P. 169. https://www.doi.org./10.1016/S0042-207X(01)00112-9
  13. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I., Prassitski V.V. // Vacuum. 2004. V. 73. P. 155. https://www.doi.org./10.1016/j.vacuum.2003.12.004
  14. Hadrath S., Ehlbeck J., Lieder G., Sigeneger F. // J. Phys. D. 2005. V. 38. № 17. P. 3285. https://www.doi.org./10.1088/0022-3727/38/17/S33
  15. Suzuki M., Sagawa M., Kusunoki T., Nishimura E., Ikeda M., Tsuji K. // IEEE Trans. Electron Devices. 2012. V. 59. № 8. P. 2256. https://www.doi.org./10.1109/TED.2012.2197625
  16. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. // Vacuum. 2016. V. 129. P. 188. https://www.doi.org./10.1016/j.vacuum.2016.01.008
  17. Doughty D.K., Den Hartog E.A., Lawler J.E. // Appl. Phys. Lett. 1985. V. 46. № 4. P. 352. https://www.doi.org./10.1063/1.95628
  18. Jensen K.L. // J. Appl. Phys. 2007. V. 102. № 2. P. 024911. https://www.doi.org./10.1063/1.2752122
  19. Dionne M., Coulombe S., Meunier J.-L. // J. Phys. D. 2008. V. 41. № 24. P. 245304. https://www.doi.org./10.1088/0022-3727/41/24/245304
  20. Егоров Н.В., Шешин Е.П. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2017. № 3. С. 5. https://www.doi.org./10.7868/S0207352817030088
  21. Holgate J.T., Coppins M. // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 7. № 4. P. 044019. https://www.doi.org./10.1103/PhysRevApplied.7.044019
  22. Jensen K.L. // J. Appl. Phys. 2019. V. 126. № 6. P. 065302. https://doi.org/10.1063/1.5109676
  23. Bondarenko G.G., Kristya V.I., Savichkin D.O. // Vacuum. 2018. V. 149. P. 114. https://www.doi.org./10.1016/j.vacuum.2017.12.028
  24. Кристя В.И., Мьо Ти Ха, Фишер М.Р. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. №. 6. С. 846. https://www.doi.org./10.31857/S0367676520060149
  25. Phelps A.V., Petrović Z.Lj. // Plasma Sources Sci. Technol. 1999. V. 8. № 3. P. R21. https://www.doi.org./10.1088/0963-0252/8/3/201
  26. Forbes R.G. // Solid-State Electronics. 2001. V. 45. № 6. P. 779. https://www.doi.org./10.1016/S0038-1101(00)00208-2
  27. Rumbach P., Go D.B. // J. Appl. Phys. 2012. V. 112. № 10. P. 103302. https://www.doi.org./10.1063/1.4764344
  28. Бондаренко Г.Г., Фишер М.Р., Мьо Ти Ха, Кристя В.И. // Изв. вузов. Физика. 2019. Т. 62. № 1. С. 72.
  29. Kusunoki T., Sagawa M., Suzuki M., Ishizaka A., Tsuji K. // IEEE Trans. Electron Devices. 2002. V. 49. № 6. P. 1059. https://www.doi.org./10.1109/TED.2002.1003743
  30. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I., Bondariev V. // High Temp. Material Proc. 2022. V. 26. № 1. P. 17. https://www.doi.org./10.1615/HighTempMatProc. 2021041820
  31. Кристя В.И., Мьо Ти Ха // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2020. № 5. С. 63. https://www.doi.org./10.31857/S1028096020030103
  32. Arkhipenko V.I., Kirillov A.A., Safronau Y.A., Simonchik L.V., Zgirouski S.M. // Plasma Sources Sci. Technol. 2009. V. 18. № 4. P. 045013. https://www.doi.org./10.1088/0963-0252/18/4/045013
  33. Кристя В.И., Фишер М.Р. // Изв. РАН. Сер. физ. 2012. Т. 76. № 5. С. 673.
  34. Кристя В.И., Йе Наинг Тун // Изв. РАН. Сер. физ. 2014. Т. 78. № 6. С. 752. https://www.doi.org./10.7868/S0367676514060179
  35. Крютченко О.Н., Маннанов А.Ф., Носов А.А., Степанов В.А., Чиркин М.В. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1994. № 6. С. 93.
  36. Forbes R.G. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. № 11. P. 113122. https://www.doi.org./10.1063/1.2354582
  37. Зыкова Е.В., Кучеренко Е.Т., Айвазов В.Я. // Радиотехника и электроника. 1979. Т. 24. № 7. С. 1464.
  38. Rózsa K., Gallagher A., Donkó Z. // Phys. Rev. E. 1995. V. 52. № 1. P. 913. https://www.doi.org./10.1103/PhysRevE.52.913

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (160KB)
Indexing metadata
3.

Download (99KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Г.Г. Бондаренко, В.И. Кристя, М.Р. Фишер

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».