Лекция 10 (Лекции по вакуумной и плазменной электронике)

Лекция № 10Разряд в быстром потоке газаГаз прокачивают через разряд с целью вывода джоулева тепла, предотвращения перегревасамого газа и стенок разрядной камеры. Опыты свидетельствуют о разной степени влиянияскорости потока на горение стационарного разряда, однако все сходятся в одном: с увеличениемскорости напряжение горения в большей или меньшей степени, но только повышается. Этоговорит об увеличении потерь зарядов, которое должно быть скомпенсировано повышеннойионизацией.Турбулентный вынос зарядов к стенкамВ достаточно быстром потоке газ турбулизуется. Зачастую, в особенности в мощныхлазерных установках, намеренно организуют мелкомасштабную турбулентность, так как этоспособствует повышению устойчивости разряда и увеличению верхнего предела энергетическоговклада. Действие турбулентного перемешивания объёмов плазмы сродни амбиполярнойдиффузии.

Оно выносит сильнее ионизованные объёмы из центральных областей к стенкам, и,наоборот, слабее ионизованные – с периферии к оси. Этот механизм может оказать воздействие вслучае разряда без потока, контролируемого диффузией, т.е. при пониженных давлениях, в тонкихтрубках или узких каналах. Описать эффект можно путём добавления к коэффициентуамбиполярной диффузии коэффициента турбулентной.Конвективный вынос зарядовПотеря зарядов из токового канала, связанная с увлечением их газовым потоком, можетсказаться, если длина разряда вдоль потока мала. Такое случается в поперечных разрядах, когдадлина хотя бы одного из электродов гораздо меньше расстояния между электродами.Неустойчивости разрядовПричины возникновения и последствия неустойчивостей разрядовОднородное состояние положительного столба тлеющего разряда часто оказываетсянеустойчивым, в особенности, когда разряд происходит в больших объёмах, при повышенныхдавлениях, когда сильны ток и выделение джоулева тепла. Случайные возмущениякатастрофически нарастают, и плазма переходит в иное, пространственно неоднородноесостояние.

Вызываемые неустойчивостями неоднородные формации:Страты – разбиение положительного столба вдоль тока на чередующиеся светлые и тёмные слои;Контракция – стягивание плазмы в ярко светящийся токовый шнур.Неоднородность плазмы нередко видна на глаз. Неодинаковость свечения вызывается, впервую очередь, неодинаковой плотностью электронов. Стало быть, причины, приводящие кнеоднородности, связаны с процессами, которые управляют плотностью электронов, ихрождением, гибелью, переносом в пространстве.Стабилизирующие и дестабилизирующие факторыУказанные соображения позволяют качественно квалифицировать влияние различныхфакторов на устойчивость. Пусть электроны рождаются путём ионизации атомов электроннымударом из основного состояния, причём электронная температура не чувствительна кконцентрации электронов ne.

При этом скорость рождения электронов:Z+ = νi(Te)ne ~ ne.Внешнее сопротивление относится к стабилизирующим факторам. Если концентрацияэлектронов ne и ток возрастают, напряжение, поле, электронная температура и, как следствие,частота ионизации νi уменьшаются.Диффузия и теплопроводность помогают рассасыванию неоднородностей плотностейчастиц и температуры, и поэтому принадлежат к числу стабилизирующих факторов.Нагрев газа играет дестабилизирующую роль. Поскольку давление в газе выравниваетсябыстро, локальное повышение газовой температуры сопровождается уменьшением плотности(тепловым расширением).

На значении поля это непосредственно не сказывается, но отношениеE/N и зависящая от него электронная температура возрастают. Это ведёт к усилению ионизации,локальному повышению проводимости, плотности тока и выделения джоулева тепла. В результатегаз нагревается ещё сильнее. Это – так называемая ионизационно-перегревная неустойчивость,наиболее распространённая и опасная.Ступенчатая ионизация и накопление метастабильных атомов и молекул дестабилизируютразряд.

При повышении ne рождается больше возбуждённых частиц, и к ионизации из основногосостояния присоединяется ионизация возбуждённых частиц, которая протекает гораздо легче, ибоэнергия связи электрона у них меньше. Скорость рождения электронов Z+ растёт с ne,следовательно, быстрее, чем νi(Te)ne.Дуговые разрядыОпределение и отличительные признаки дугиДуговыми называют разряды, как привило, самоподдерживающиеся, в которых катодноепадение потенциала имеет относительно низкое значение порядка потенциалов ионизации иливозбуждения атомов, т.е. порядка 10 эВ. Этим дуговой разряд отличается от тлеющего, у которогокатодное падение потенциала составляет сотни вольт.

Малое значение катодного падения являетсярезультатом действия иных, чем в тлеющем разряде, механизмов катодной эмиссии. Этимеханизмы в состоянии обеспечить большой электронный ток с катода, близкий к полному токуразряда. Тем самым отпадает необходимость в значительном усилении электронного тока, чтоявляется функцией большого катодного падения в тлеющем разряде. Катоды дуг испускаютэлектроны в результате термоэлектронной, автоэлектронной и термоавтоэлектронной эмиссии.Возможно, существуют ещё какие-то более сложные, комбинированные процессы рожденияэлектронов у катода.Дуговым разрядам свойственны большие токи (i ~ 1…103 A), намного превышающиетипичные токи в тлеющих разрядах (i ~ 10-4…10-1 A).

Велики по сравнению с тлеющим разрядомплотности тока на катоде. В одних формах дуг они составляют jк ~ 102…104 А/см2, в других jк ~ 104…107 А/см2. Для сравнения, даже при высоком для тлеющего разряда давлении p ~ 1 атм.нормальная плотность тока на медном катоде в воздухе 155 А/см2 соответствует самой нижнейгранице дугового диапазона. Напряжение горения дуг чаще всего низкие. В коротких дугах они непревышают 20…30 В, в некоторых формах – всего несколько вольт. Вольтамперныехарактеристики во многих случаях падающие, но не всегда.Катоды дуг либо целиком, либо местами и кратковременно получают от тока многоэнергии и обладают высокой температурой.

Они разрушаются с уносом материала (эрозией) ииспаряются. Если спектр излучении прикатодной области тлеющего разряда совпадает соспектром газа, в котором происходит разряд, то в спектре дуг присутствуют линии паровматериала электродов. Вакуумные дуги вообще горят в парах испарённого металла. Что касаетсясостояния плазмы положительного столба – области между приэлектродными слоями, - то нарядус равновесными дугами сплошь и рядом бывают неравновесные. Это зависит от давления газа.Можно сказать, что равновесность плазмы в разряде постоянного тока характерна только для дуги,а неравновесность свойственна и тлеющему разряду, и дуговому, когда последний происходит принизком давлении.Виды дугПод определение дуги как разряда с низким катодным падением подпадают чуть ли не всеразряды постоянного тока, кроме тлеющего.

Поэтому разновидностей разрядов, которыепричисляют к типу дуговых, довольно много. их можно классифицировать по характерупроцессов на катоде, состоянию плазмы положительного столба, по роду среды (газ или парыматериала катода), в которой протекает ток.Дуга с горячим термоэмиссионным катодомКатод в такой дуге бывает нагретым целиком до температуры около 3000 К и даже выше,так что сильный ток дуги получается просто за счёт интенсивной термоэлектронной эмиссии.Токовое пятно занимает на катоде сравнительно большую площадь. Плотность его тамjк ≈ 102…104 А/см2.

Дуга привязана к одному и тому же месту катодной поверхности, и токоваяплощадка стационарна.Столь высокую температуру в течение длительного времени способны выдержать толькотугоплавкие, с трудом испаряющиеся вещества: углерод (графит, уголь, сажа), который вообще неплавится при обычных давлениях (температура его кипения T1 ип ≈ 4000 K), особенно широкоприменяемый на практике вольфрам (температура плавления Tпл ≈ 3700 К, Tкип ≈ 5900 К),молибден, цирконий, тантал и др.

Дуги с горячими вольфрамовыми катодами применяют вэлектродуговых устройствах, часто высокого давления, когда требуется большой ресурс работымалая эрозия) электродов: в плазмотронах, сварочных аппаратах, для некоторых видов дуговойплавки металлов и др.Дуги с внешним накалом катодаЭто частный случай горячего термоэмиссионного катода, но катод нагревается не токомразряда, а от постороннего источника.

Разряд, естественно, является несамостоятельным. Дляснижения температуры накала используют активированные катоды, как в электронных лампах. Отвакуумного диода дугу с внешним накалом отличает присутствие проводящей среды. Приувеличении ток, когда ток разогревает катод сильнее, чем подвод внешней энергии, разряд можетперейти в самостоятельный. Дуги такого типа используют в ряде приборов низкого давления, втермоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в электрическую.Дуги с «холодным» катодом и катодными пятнамиТок в таких дугах протекает через одно или много маленьких, быстро и беспорядочноперемещающихся, возникающих и исчезающих пятен на катоде. Плотность тока в пятнах оченьвелика, jк ≈ 104…107 А/см2.

На короткое время локализации пятна металл в данном месте сильноразогревается, разрушается, испаряется, но по соседству с пятнами и в целом катод остаётсясравнительно холодным. Пятна всегда образуются на катодах из легкоплавких металлов: меди,железа, серебра, жидкой ртути и др., которые не могли бы выдержать температуры, нужной дляработы в режиме горячего термоэмиссионного катода (у меди Tпл ≈ 2570 К).

Но при слабых токахи низких давлениях пятна появляются и на тугоплавких материалах (вольфрам, молибден и др.).Основным механизмом эмиссии катодных пятен является термоавтоэлектронная эмиссия.Вакуумная дугаЭто дуга с катодными пятнами, которая зажигается между электродами, находящимися ввакууме, но горит в плотных металлических парах электрода, которыми немедленно заполняетсяразрядный промежуток вследствие сильной эрозии и испарения электродов.

Вакуумные дугивозникают в вакуумных выключателях (прерывателях) сильноточных электрических цепей. Этоодна из важных областей приложения дуговых разрядов.Дуга высокого давленияИмеются в виду давления выше 0,1…0,5 атм., для которых характерно образованиеравновесной плазмы в положительном столбе. Среди такого типа дуг особенно распространеныдуги атмосферного давления, в том числе и в свободном воздухе. Столб дуги атмосферногодавления – наиболее типичный и распространённый образец плотной низкотемпературнойравновесной плазмы, поддерживаемой электрическим полем. Обычные температуры –T ≈ 6000…1200 К, но в специальных условиях достигаются и более высокие, вплоть до 50000 К.Дуга сверхвысокого давленияДанный тип дуги наблюдается при давлениях выше 10 атм.