Катоды дуговых разрядов несколь- ко условно можно разбить на два больших класса: термокатоды ("горячие" катоды) и "холодные" катоды. О процессах около холодных катодов мы скажем в следующем пункте, а здесь коротко отметим особенность того, что происходит около термокато- да. На первый взгляд могло бы показаться, что процессы в катодных областях ДР с термокатодами предельно просты и описываются уравнением Маккоуна G.6.5). Однако, во многом это не так. И здесь несколько причин. Одна из них — это малые толщины прикатодных слоев в дугах при нормальном давлении, а тем более при высоких давлениях. Так при нормальном давлении окружающего воздуха и полной его ионизации имеем п ~ 1018см~3 и, следовательно, При Те ~ 5 эВ характерная скорость электронов ve дебаевский радиус 2-Ю8 . ,Л_Я 2- 108см/с и, следовательно, Эта величина порядка 0,1 длины волны желтой линии. В связи с этим структура слоя долж- на быть чувствительна к шероховатостям поверхности катода и его "пятнистости" — т. е. наличии на поверхности катода разных пленок. Второй причиной, усложняющей анализ интересующей нас области, является доста- точно высокий уровень энерговыделения, что ведет к'плавлению и испарению катода, а также вызывает достаточно интенсивные термо-электро-химические реакции — в том числе "отравление" катода. Но может быть и обратная ситуация. Так, гафний (Ш), ис- пользуемый в качестве катода ДР в возду- хе, активируется в процессе разряда благо- даря образованию на его поверхности нит- рида гафния (HfN) — красивого соединения золотистого цвета, с высокой эмиссионной способностью. В общем случае за счет неизбеж- ных примесей в практически используемых электродных материалах и примесей в окру- жающих газах (воздух, аргон) вблизи конца электрода обычно образуются многослой- ные структуры (рис. 7.6.5). Кроме того, Рис. 7.6.5. Многослойная структура в объ- ёме термохимического катода из циркония (Zr) в медной оболочке (Си) после работы в воздухе ~ 1 ч., J = 100 А. 1 — неповре- жденный Zr, 2 — зона расплава, 3 — зона реакций в твердой фазе, 4 — зона реакции в'жидкой фазе, 5 — активная поверхность катода 408 Гл. 7. Взаимодействие плазмы с поверхностями твёрдых тел здесь же наблюдается рост в катоде монокристаллов, ориентированных вдоль теку- щего тока. И этот список осложняющих обстоятельств можно было бы продолжить. По этим причинам мы не будем описывать достаточно индивидуальные модели термокатодов ДР, а отметим два существенных момента. Термокатоды обычно работают — в зависимости от разрядного тока, в двух режимах: "с катодным пятном" и в "диффузном" режиме. В первом случае удельная эрозия катода больше, во втором — меньше. Теоретические модели прикатодного слоя ДР носят, в силу сказанного выше, качественный характер. Чаще других говорится о двухслойной модели прикатодной зоны (рис. 7.6.6). На рисунке приведены распределения параметров плазмы в прикатодной зоне, со- ответствующие двухслойной модели. Первый слой — слой объёмного заряда, меньше длины свободного пробега ионов и электронов 0. В нем вследствие относительно большой доли ионного тока возникает избыточный положительный пространствен- ный заряд, приводящий к появлению скачка потенциала у поверхности катода. Доля ионного тока в первом слое постоянна. Второй слой разделяет первый слой и столб дуги называется ионизационным; в нем выполняется условие квазинейтральности и происходит интенсивная генерация заряженных частиц за счет энергии, приобре- тенной электронами в первом слое, как и в ОС тлеющего разряда. JJeJi Рис. 7.6.6. Двуслойная модель прикатодной зоны в дуговом разряде с термокатодом. Рас- пределение тока j (а); концентрации электронов и ионов (б) и электрического поля (в) в прикатодной области Доля электронного тока S(z) растёт от S ~ 0,7-0,9 у поверхности катода до S = = be/(be + hi) в столбе разряда (be, hi — подвижности электронов и ионов). Большая величина ионного тока, поддерживаемая процессами, происходящими во втором слое, обеспечивает образование избытка положительного заряда и скачка потенциала в первом слое. Таким образом, процессы в обоих слоях тесно связаны друг с другом. Приносимая на поверхность катода ионами энергия затрачивается на нагрев до температуры, необходимой для эмиссии. Из сказанного ясно, что процессы в прикатодной области дуги должны суще- ственно зависеть от свойств поверхности и материала катода, его геометрии и усло- вий охлаждения. Например, если материал катода обладает повышенной работой 1) В идеале, слой Маккоуна. 7.6. Примеры приэлектродных процессов 409 выхода, то для обеспечения необходимой эмиссии электронов требуется поднять температуру поверхности. Но для этого следует увеличить тепловой поток на поверх- ности из прикатодной области, что может быть обеспечено перестройкой процессов в ней, приводящих к росту катодного падения потенциала. Минимальную величину прикатодного скачка потенциала — без учета теплопро- водности катода и его излучения, можно оценить по формуле min Uk = \-S' Здесь фе — работа выхода электрона, которая ~ 3—5эВ и, следовательно, при S ~ ^0,8 имеем min Uk ~ A5-25) В.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Окрестность дугового термокатода» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
