Диссертация (1149790), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Меняя величинубалластного сопротивления можно контролировать ток разряда и наблюдатьпереходы от одного типа разряда к другому. Вольт-амперная характеристика(ВАХ) разряда постоянного тока и соответствующие различным еепромежуткам типы разряда представлены на рисунке 1 [35].Рисунок 1. Вольт-амперная характеристика разряда постоянного тока [35].Прималыхтаунсендовскийтоках,разрядпорядка(отрезок10-8-10-4ABнаА,реализуетсярисунке1).темныйКонцентрациизаряженных частиц в таком разряде малы и не вызывают искажениявнешнего электрического поля, плазма в разрядном промежутке необразуется, газ не светится.

Дальнейшее увеличение тока приводит кпадению напряжения на электродах, увеличению концентрации заряженныхчастиц и свечению газа в трубке (отрезок CD на рисунке 1) – осуществляетсяпереход от темного таунсендовского разряда к тлеющему разряду,соответствующему отрезкам DE и EF на ВАХ. Так, при движении от точки Dнавправо образуется и постепенно увеличивается катодное пятно спостоянной плотностью тока в ней. Напряжение на электродах остается21постоянным. Это так называемый нормальный тлеющий разряд.

Когда пятнозанимает всю площадь катода, осуществляется переход к аномальномуразряду (точка Е), и повышение тока требует повышения напряжения.Отрезок FGH на ВАХ соответствует дуговому разряду, когда катодразогревается за счет значительных токов, и доминирующим механизмомсамоподдержанияразрядастановитсятермоэмиссияэлектроновсповерхности катода.Следует отметить, что исследования тлеющего и дугового разрядапроводилисьвомногомнезависимоивпоследствиисформировалиотдельные слабо пересекающиеся области физики газового разряда сосвоими экспериментальными и теоретическими методами.

Это во многомобъясняетсятемфактом,чтоплазмадуговогоразрядаблизкактермодинамическому равновесию, и концентрации заряженных частиц иинтенсивность излучения могут быть описаны уравнениями Саха и Планка[1]. В отличие от дугового разряда, плазма тлеющего разряда является взначительной степени неравновесной – энергия от поля в нем передаетсясначала электронной компоненте, а затем, через столкновения, газовой.Нелокальная ионизация в прикатодных областях тлеющего разряда являетсяярким примером неравновесного процесса. В данной работе центральнымобъектом изучения является тлеющий разряд постоянного тока. Следуетотметить, что вопросам, связанным с переходом от тлеющего разряда кдуговому и необходимостью учета неравновесности формирования плазмыдугового разряда, в последнее время уделяется особое внимание (см.например, [36,37]).1.3.

Продольная структура тлеющего разряда и распределение основныхпараметров по длинеТлеющий разряд – самоподдерживающийся разряд с холоднымкатодом, испускающим электроны в результате вторичной эмиссии, главнымобразом под действием положительных ионов [1,2]. Тлеющий разряд22характеризуется чередованием темных и светящихся областей, которыеособенно хорошо наблюдать при низких давлениях.

Каждой из такихобластей было дано свое название. Разделение разряда на различные областисхематически изображено на рисунке 2 [35].Рисунок 2. Схематическое изображение областей тлеющего разряда ираспределение электростатического потенциала и напряженностиэлектрического поля в них [35].Вплотную к катоду прилегает катодный слой, который характеризуетсязначительной концентрацией положительных ионов и положительнымобъемным зарядом.

Основная часть падения приложенного потенциала инаибольшая напряженность электрического поля наблюдается в этой областитлеющего разряда. Внутри катодного слоя также можно наблюдатьчередование темных и светящихся полос. Выделяют астоново темноепространство, образующееся электронами, вылетающими с катода сэнергией порядка 1эВ и не способными возбуждать атомы; катодноесвечение, где электроны, ускоренные во внешнем поле, начинают возбуждатьатомы; и катодное темное пространство, где энергия электронов становитсябольше энергий, соответствующих максимумам сечений возбуждения, иначинается интенсивная ионизация.К катодному слою прилегает светящаяся область отрицательногосвечения.

Здесь важной становится нелокальная ионизация, не зависящая от23напряженности поля и обеспечивающаяся приходом высокоэнергичныхэлектронов из катодного слоя. Поле в этой области падает и иногда меняетзнак, так как для поддержания постоянной плотности тока вдоль трубкинеобходима компенсация усиленной ионизации.Часть электронов, образовавшихся в отрицательном свечении, поддействием диффузии и электрического поля, движется в сторону анода.Энергия этих электронов постепенно падает и становится недостаточной длявозбуждения нейтральных атомов, поэтому сразу за отрицательнымсвечением образуется темный промежуток, который называется фарадеевотемное пространство.

Поле здесь постепенно нарастает до значений,свойственных положительному столбу.За фарадеевым темным пространством расположен положительныйстолб. В отличие от рассмотренных прикатодных областей, размер которыхфиксирован при заданных условиях разряда, протяженность положительногостолбаможетпотенциала,бытьпроизвольной.проверенногоПостоянствозондовымиосевогоизмерениями,градиентаговоритобэлектронейтральности плазмы в этой области. В длинных разрядныхпромежутках положительный столб замыкает электрическую цепь междуприкатодной и прианодной областями, в коротких разрядах положительныйстолб может вовсе отсутствовать. После положительного столба (если онесть), расположена узкая область разряда, прилегающая к аноду, котораяназывается анодный слой.На параметры продольной структуры разряда влияют такие факторы,как давление, расстояние между электродами, состояние поверхности катода.Увеличение давления газа приводит к уменьшению размера прикатодныхобластей (отрицательного свечения и фарадеева пространства) и увеличениюпротяженности положительного столба.

Уменьшение давления приводит кобратному эффекту, т.е. увеличению прикатодных областей, вплоть доисчезновения положительного столба и фарадеева пространства. Тип газавлияет на цвет разряда, а также на размер катодного слоя – чем меньше24потенциал ионизации, тем меньше слой. К уменьшению катодного слоятакже приводит использование катода с меньшей работой выходаэлектронов.Следует отметить, что положительный столб тлеющего разрядаявляется наиболее простым примером неравновесной низкотемпературнойплазмы.

Такие явления, как страты и контракция, длительное времяпривлекаливниманиеученых[1,2].Положительныйстолбтакжеиспользовался и используется для создания и исследования упорядоченныхструктур в пылевой плазме [1,2]. Наиболее широко распространенноеиспользование положительного столба тлеющего разряда – лампы дневногосвета. В связи с этим неудивительно, что положительный столб являетсянаиболееизученнойчастьютлеющегоразряда.Обзоросновныхэкспериментальных данных по положительному столбу тлеющего разрядаможет быть найден в монографиях [1,2,35,38].

Литературных данныхотносительно прикатодных областей тлеющего разряда значительно меньше.1.4. Обзор экспериментальных исследований прикатодных областейтлеющего разряда постоянного токаПридуманный Ленгмюром метод зондовых измерений до сих порявляется одним из основных методов получения экспериментальных данныхо функции распределения и других характеристиках электронов в плазме[39]. В своей пионерской работе [40] он изучал разряд постоянного тока снакаливаемым катодом, который зажигался в парах ртути при давлениях 0.68.0 Торр. Им были зарегистрированы три группы электронов, которыеполучили названия первичных (эмитированные с поверхности катода,разогнанные в катодном падении потенциала и не претерпевшие неупругихстолкновений), вторичных (получавшихся из первичных в результате потериэнергии на столкновения) и конечных (имеющих энергию меньше неупругогопорога и составляющих большинство плазменных электронов).

Даннаятерминология использовалась многими авторами и в дальнейшем.25Отметим, что на сегодняшний день устоявшейся является следующаятерминология. Быстрыми электронами обозначаются электроны с энергиейвыше порога неупругих столкновений; ниже порога – промежуточные иливторичные электроны, образовавшиеся в результате ионизации быстрыми иимеющие среднюю энергию порядка 2-4 эВ; медленными или тепловыми жеобозначается основная часть плазменных электронов, характеризующихсяраспределением Максвелла по скоростям с локальными значениямиконцентрации ne и температуры Te .В работах [41-44] было проведено систематическое исследованиеотрицательного свечения и фарадеева темного пространства в разряде вгелии при низком давлении.

Измеренные зондовым методом энергетическиераспределения электронов показали наличие трех групп электронов, которымбыли даны названия, аналогично [39] – первичных, вторичных и конечных,обсуждалась природа каждой из групп.В [45] изучалось отрицательное свечение разряда в гелии при давлении0.1 Торр. Были зарегистрированы все три группы электронов. Кроме тогоотмечалось,чтовсегруппыэлектроновимеютмаксвелловскоераспределение по энергиям – результат, который не был подтверждендругими исследователями. В работе также было указано, что вторичнаягруппа электронов состоит из образовавшихся в результате ионизациибыстрыми и не успевших отрелаксировать до значений энергии, характерныхдля конечной группы электронов. Отметим, что данное представление огруппе вторичных электронов сохраняется и по сей день (см., например,[46]).В[47]вторичныхипродольныеконечныхзависимостиэлектроновкинетическихбылиизмереныхарактеристикзондовымимикроволновым методами.

Были получены характерные для отрицательногосвечения значения распределения концентраций и температур медленныхэлектронов. Распределение концентрации электронов по длине разряда имелопараболический симметричный вид. При повышении давления максимум26профиля смещался к катоду и далее линейно спадал вплоть до анода, чтоговорит об отсутствии значительной ионизации в фарадеевом темномпространстве. Распределение температуры электронов имело характернойминимум, порядка 400 К. Отметим, что низкое значение температурымедленныхэлектроноввплазмеотрицательногосвеченияявляетсяхарактерной особенностью тлеющего разряда, получить которую на расчетеявляется довольно трудной задачей.В [48] на основе оптических данных о возбуждении линий гелия былсделан вывод о наличии в плазме отрицательного свечения быстрыхэлектронов, поступивших из катодного слоя.В [49] представлены аксиальные и радиальные пространственныераспределения параметров плазмы в тлеющем разряде в неоне при давлениях0.6 и 0.86 Торр, полученные зондовыми методами.

Характеристики

Список файлов диссертации