Influence of Non-Uniform Thickness of Insulating Film along the Cathode Surface on its Heating in a Glow Gas Discharge

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

A model of the cathode layer of a glow gas discharge is formulated in the presence of a thin insulating film on the cathode, the thickness of which varies in different areas of its surface, and on some parts of the surface, it may be absent. The model takes into account ion-induced electron emission from the cathode surface, thermal-field electron emission from the cathode substrate into the film, and thermal electron emission from areas of the cathode surface without a film. It is shown that when the cathode is heated, the effective electron emission coefficient of the cathode and the discharge current density decrease, since this reduces the electric field strength in the film, which provides the current density of thermal field electron emission from the cathode substrate into the film necessary to maintain the discharge. As a result, the film emission efficiency, the cathode effective ion-electron emission coefficient and the discharge current density are decreased. Therefore, when the insulating film is on the entire cathode surface, the glow discharge does not transform into an arc discharge for a long time. If there is no insulating film on some part of it, then after cathode heating to a sufficiently high temperature, thermal emission of electrons starts from it. The electrons leave the cathode surface, increase its effective coefficient of electron emission, and discharge current density. This causes more intensive cathode heating and accelerates transition from glow discharge to an arc discharge.

About the authors

G. G. Bondarenko

HSE University

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

M. R. Fisher

Bauman Moscow State Technical University

Email: fishermr@bmstu.ru
Russian Federation, Moscow, 105005

V. I. Kristya

Bauman Moscow State Technical University

Email: kristya@bmstu.ru
Russian Federation, Moscow, 105005

References

  1. Zissis G., Kitsinelis S. // J. Phys. D. 2009. V. 42. № 17. Р. 173001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/17/173001
  2. Samukawa S., Hori M., Rauf S., Tachibana K., Bruggeman P., Kroesen G., Whitehead J.C., Murphy A.B., Gutsol A.F., Starikovskaia S. // J. Phys. D. 2012. V. 45. № 25. Р. 253001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/25/253001
  3. Schwieger J., Baumann B., Wolff M., Manders F., Suijker J. // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. V. 655. Р. 012045. https://doi.org/10.1088/1742-6596/655/1/012045
  4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: ИД “Интеллект”, 2009. 736 с.
  5. Saifutdinov A.I. // Plasma Sources Sci. Tech. 2022. V. 31. № 9. Р. 094008. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac89a7
  6. Byszewski W.W., Li Y.M., Budinger A.B., Gregor P.D. // Plasma Sources Sci. Tech. 1996. V. 5. № 4. P. 720. https://doi.org/10.1088/0963-0252/5/4/014
  7. Hadrath S., Beck M., Garner R.C., Lieder G., Ehlbeck J. // J. Phys. D. 2007. V. 40. № 1. P. 163. https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/1/009
  8. Modinos A. Field, Thermionic, and Secondary Electron Emission Spectroscopy. N.Y.: Plenum Press, 1984. 376 p.
  9. Егоров Н.В., Шешин Е.П. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2017. № 3. C. 5. https://doi.org/10.7868/S0207352817030088
  10. Ptitsin V.E. // J. Phys.: Conf. Ser. 2011. V. 291. Р. 012019. https://doi.org/10.1088/1742-6596/291/1/012019
  11. Venkattraman A. // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. № 19. Р. 194101. https://doi.org/10.1063/1.4876606
  12. Haase J.R., Go D.B. // J. Phys. D. 2016. V. 49. № 5. Р. 055206. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/5/055206
  13. Benilov M.S., Benilova L.G. // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. № 6. Р. 063307. https://doi.org/10.1063/1.4818325
  14. Anders A. // Thin Solid Films. 2006. V. 502. P. 22. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.07.228
  15. Riedel M., Düsterhöft H., Nagel F. // Vacuum. 2001. V. 61. № 2–4. P. 169. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(01)00112-9
  16. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I., Prassitski V.V. // Vacuum. 2004. V. 73. № 2. P. 155. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2003.12.004
  17. Hadrath S., Ehlbeck J., Lieder G., Sigeneger F. // J. Phys. D. 2005. V. 38. № 17. P. 3285. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/17/S33
  18. Suzuki M., Sagawa M., Kusunoki T., Nishimura E., Ikeda M., Tsuji K. // IEEE Trans. ED. 2012. V. 59. P. 2256. https://doi.org/10.1109/TED.2012.2197625
  19. Nijdam S., Desai K.V., Park S.-J., Sun P.P., Sakai O., Lister G., Eden J.G. // Plasma Sources Sci. Tech. 2022. V. 31. № 12. Р. 123001. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac8448
  20. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. // Vacuum. 2016. V. 129. P. 188. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.01.008
  21. Holgate J.T., Coppins M. // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 7. № 4. Р. 044019. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.044019
  22. Jensen K.L. // J. Appl. Phys. 2019. V. 126. № 6. Р. 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://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.12.028
  24. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Myo Thi Ha, Kristya V.I. // Russ. Phys. J. 2019. V. 62. № 1. P. 82. https://doi.org/10.1007/s11182-019-01686-z
  25. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2024. V. 88. № 4. P. 464. https://doi.org/10.1134/S1062873823706074
  26. Woodworth J.R., Aragon B.P., Hamilton T.W. // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 70. № 15. P. 1947. https://doi.org/10.1063/1.118814
  27. Kim D., Economou D.J. // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. № 5. P. 2852. https://doi.org/10.1063/1.1597943
  28. Kim D., Economou D.J. // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. № 7. P. 3311. https://doi.org/10.1063/1.1652249
  29. Бондаренко Г.Г., Кристя В.И., Йе Наинг Тун // Изв. вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 9. С. 99.
  30. Кристя В.И., Мьо Ти Ха, Фишер М.Р. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 6. С. 846. https://doi.org/10.31857/S0367676520060149
  31. Бондаренко Г.Г., Кристя В.И., Мьо Ти Ха, Фишер М.Р. // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед. 2022. № 8. С. 25. https://doi.org/10.31857/S1028096022080039
  32. Phelps A.V., Petrović Z.Lj. // Plasma Sources Sci. Technol. 1999. V. 8. № 3. P. R21. https://doi.org/10.1088/0963-0252/8/3/201
  33. Forbes R.G., Edgcombe C.J., Valdrè U. // Ultramicroscopy. 2003. V. 95. P. 57. https://doi.org/10.1016/S0304-3991(02)00297-8
  34. Hourdakis E., Bryant G.W., Zimmerman N.M. // J. Appl. Phys. 2006. V. 100. № 12. Р. 123306. https://doi.org/10.1063/1.2400103
  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. Xu N.S., Chen J., Deng S.Z. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76. № 17. P. 2463. https://doi.org/10.1063/1.126377
  37. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I., Bondariev V. // High Temperature Material Proc. 2022. V. 26. № 1. P. 17. https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2021041820
  38. Hancox R. // Br. J. Appl. Phys. 1960. V. 11. № 10. P. 468. https://doi.org/10.1088/0508-3443/11/10/304
  39. Guile A.E., Hitchcock A.H. // J. Phys. D. 1975. V. 8. № 6. P. 663. https://doi.org/10.1088/0022-3727/8/6/009
  40. Puchkarev V.F. Mesyats G.A. // J. Appl. Phys. 1995. V. 78. № 9. P. 5633. https://doi.org/10.1063/1.359687

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».