В разделе 6.6 было начато рассмотрение двух типов классических разрядов: тлеющих (ТР) и дуго- вых (ДР). Там сравнительно подробно говорилось только о положительных столбах: неравновесном — в ТР и равновесном — в ДР. В данном параграфе рассматри- ваются приэлектродные области этих разрядов. Мы ограничимся разрядами при относительно высоких давлениях (р > 10~2Тор), когда свободные пробеги частиц достаточно малы по сравнению с размерами газоразрядных объёмов. Это позволит нам пользоваться гидродинамическими моделями. Прикатодная область тлеющего разряда [183] В тлеющих разрядах катод обычно холодный, и около него образуется спе- цифическая плазменная структура. Распределение параметров в прикатодной зоне схематически изображено на рис. 7.6.2. Неожиданным оказалось то, что между собственно катодом и положительным столбом располагаются 5(!) слоев. Это: - астоново тёмное пространство (АТП); - катодное свечение (КС-е); - круксово тёмное пространство (КТП); - отрицательное (или тлеющее) свечение (ОС); - фарадеево тёмное пространство (ФТП). И только после этого идёт положительный столб, о котором речь шла в разделе 6.6. Внешне эта структура сравнительно слабо зависит от давления. Перенос тока через переход "плазменный объём"-твердотельный холодный элек- трод осуществляется потоком ионов, идущих из плазмы, и выбиваемыми ими из электрода "вторичными" электронами. Как видно из распределения потенциала, а еще лучше — напряженности элек- трического поля, в прикатодной области четко выделяются две области: область большого перепада потенциала, включающая в себя АТП, КС-е, КТП, и область с малой напряженности Е-поля, включая участок, где Е-поле может изменять знак. Сюда входят главным образом ОС и часть ФТП. Первая из указанных областей, которую часто называют просто катодным слоем, является основным блоком ТР, нарушение которого — например, при сближении электродов, приводит к погасанию разряда. На эту область приходится основное падение напряжения, приложенного к электродам ТР. Поэтому целесообразно рас- смотреть ее ВАХ. 404 Гл. 7. Взаимодействие плазмы с поверхностями твёрдых тел Темное астоново Темное катодное Темное фарадеево Темное анодное пространство пространство пространство пространство К/?:: :?::::?: •>!•»»::::%: ПоЛОЖИТСЛЬНЫЙ =: У::\::::::::: ч ::::::::: столб Катодное Отрицательное Анодное свечение свечение свечение Рис. 7.6.2. Картина тлеющего разряда в трубке вместе с приэлектродными областями: распре- деления интенсивности свечения J, потенциала ср, продольного поля Е, плотностей электрон- ного и ионного токов je, ji и зарядов пе и щ, объёмного заряда р = е(пг — пе) Из приведенных на рис. 7.6.2 распределений плотностей электронов и ионов в катодном слое видно, что здесь нарушается квазинейтральность и преобладают ионы. Поэтому из уравнения Максвелла получаем в одномерном случае связь Е и щ dE —— ах G.6.7) Эксперименты показывают, что в катодном слое спад Е(х) происходит по закону, близкому к линейному (^ G.6.8) Здесь d— толщина слоя, Eq — напряженность на поверхности катода. Подставляя G.113) в G.112), получаем связь Eq, d и щ: Eq = Aireriid. G.6.9) Для следующего шага учтем, что для поддержания стационарного разряда необ- ходимо, чтобы каждый электрон, выбитый из катода, двигаясь в плазменном объёме, должен осуществить столько актов ионизации, сколько в среднем ионов требуется для выхода одного электрона. Если 7 — число вторичных электронов, выбиваемых одним ионом, реально величина 7 <^ 1> то каждый электрон должен осуществить 1/7 актов ионизации. Для этого процесс должен идти каскадным образом. А именно, вылетевший из катода электрон набирает энергию в Е-поле и, столкнувшись с нейтралом, вызывает "первую" ионизацию. В результате получаются два электрона, которые опять набирают энергию, достаточную для ионизации, и теперь порождают еще два электрона, и т. д. Размеры катодного слоя и напряженность поля в нем автоматически подстраиваются так, чтобы обеспечить нужное число актов ионизации. Развитие 7.6. Примеры приэлектродных процессов 405 лавины идет в соответствии с уравнением dN dx = aN или N = exp • adx Здесь N — число электронов, порождаемых одним ("катодным") электроном на расстоянии х от катода. Величину а называют "первым ионизационным коэффици- ентом Таунсенда". Величина а зависит от давления и напряженности электрического поля. Очевидно, что а ~ щ ~ р — концентрация нейтралов, а кроме того а должно зависеть от энергии, набираемой электроном на длине свободного пробега л Е Е ? = EX rsj — rsj —. п р Таким образом, зависимость а от р и Е в первом приближении следует ожидать в виде И действительно, как последовательный теоретический анализ, так и эксперимент хорошо подтверждают этот закон подобия. Исходя из неких наводящих соображений и экспериментальных данных, Таундсен предложил следующую формулу О ( В а=рАехр\-щ Постоянные Аи В зависят от природы газа, наполняющего трубку. Вот несколько характерных примеров. 1. Аргон 2. Азот 3. Водород 4. Ксенон 5. Ртуть А, (см-Тор) 1 12 8,8 5 26 20 В, В/см-Тор 180 275 139 350 320 Е/р, В/см-Тор 100-600 27-200 22-1000 200-800 200-600 В соответствии со всем сказанным для катодного слоя получаем следующие уравнения для равновесия разряда 1 7 = ехр а = Ар ехр < — Е/р G.6.10а) Эти уравнения при известных 7, А, В, р дают нам еще одну связь Eq и d. Чтобы замкнуть систему уравнений нам надо определить щ. Но если принять связь щ с разрядным током jp, который равен 2) Эр ~ Эг = 1, G.6.106) 1) Странный на первый взгляд аргумент экспоненты становится понятным, если учесть, что Те - EX. 2) Ток в катодном слое переносится в основном ионами (рис. 7.6.2) 406 Гл. 7. Взаимодействие плазмы с поверхностями твёрдых тел то мы получаем вольтамперную характеристику катодного слоя j = F(Uk), Uk=Eod, К сожалению, следующую из равенств G.6.10), связь Eq и d трудно запи- сать в аналитической форме, но ее нетрудно рассчитать численно. Получающиеся в результате ВАХ изображены на рис. 7.6.3. Особенностью этих кривых является наличие минимума. И вот здесь физики столкнулись с парадок- сальной ситуацией. Оказывается, что устойчивы- ми являются только режимы, соответствующие минимуму ВАХ . Точнее, если мы попробуем, изменяя напряжение, увеличить или уменьшить плотность тока в условиях, когда катодное пятно занимает только часть катода, то плотность то- ка на катоде не изменится, а просто произойдет соответствующее расширение площади катодного пятна. При этом напряжение на разряде практи- чески не изменится. Уменьшение разрядного тока сопровождается уменьшением площади катодного пятна. Такого рода режим называют "нормальным ТР". Но если при возрастании разрядного тока катодное пятно займет всю поверхность, то даль- нейшее увеличение тока ведет к крутому росту разрядного напряжения. Этот режим называют "аномальным тлеющим разрядом" и при неком на- пряжении, зависящим от особенности конструк- ции системы, разряд из тлеющего превращается в дуговой (рис. 7.6.4). Отмеченная особенность катодных пятен нормального ТР долго оставалась загадочной и была объяснена только в начале 1980-х годов после проведения численных двумерных расчётов катодной области. Было показано, что это явление объясняется структурой эквипотенциалей вблизи катода, который делает другие распределения тока на катоде в стационарном режиме неустойчивыми [183]. Рис. 7.6.4. Вольтамперная характеристика разря- да между электродами в широком диапазоне то- ков и нагрузочная прямая: А — область несамо- стоятельного разряда, ВС — темный таунсендов- ский разряд, ДЕ — нормальный тлеющий разряд, EF — аномальный тлеющий разряд, FG — пере- ход в дуговой разряд, GH — дуговой разряд 1( Г2 1 10 1(Г ю3 У Рис. 7.6.3. "Теоретическая" ВАХ тлеющего разряда Теперь коротко рассмотрим вторую квазинейтральную часть катодной области. В этой подобласти, точнее в ОС, идет интенсивная ионизация газа электронами, разогнанными и нагретыми в катодном слое. Здесь возникают те ионы, которые бомбардируют катод, и электроны, которые потом будут переносить ток в начале положительного столба. В ОС плотность плазмы выше, чем в других областях, и растекание плазмы, как и перенос тока, происходит преимущественно за счет Vpe. Поэтому в основной части ОС электрическое поле мало и может даже иметь 7.6. Примеры приэлектродных процессов 407 отрицательное направление. Благодаря этому слой ОС становится ловушкой для ионов. Перенос тока от слоя ОС к ПС за счет Vpe ведет к тому, что здесь суще- ственно понижается Те и, как следствие, резко ослабляется свечение. Так возникает фарадеево тёмное пространство. А дальше появляется Е-поле, и появляется ПС. Аккуратное описание прикатодной области в целом требует большой системы дву- мерных уравнений с учетом динамики энергии электронов и трансформации тяжелых частиц. Поэтому даже сейчас нельзя сказать, что исследования здесь закончены.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Приэлектродные слои в тлеющих и дуговых разрядах» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
