Тліючий розряд
Тліючий розряд - електричний розряд у газі, що характеризується термодинаміч. нерівноважністю і квазінейтральністю плазми, що виникає. Ефф. температура електронів в тліючому розряді істотно вище температури газу і електродів, термоемісія з яких брало відсутня. Тліючі розряди діляться на 2 класи: самостійний і несамостійний (із зовніш. іонізатором). Кожен із цих розрядів поділяється на види залежно від роду джерела електрич. живлення: імпульсний, стаціонарний, змінного струму. Кожен вид тліючого розряду може горіти в газі, що покоїться, і в потоці газу. Самостійні розряди відрізняються геометрією: плоскою та циліндричною.
наиб. докладно вивчений тліючий розряд, що горить у скляних трубках, який широко застосовується в техніці: лампи денного світла, розл. висвітлить. прилади, газові лазери малої та пор. потужності. Тліючий розряд, що горить між плоскими електродами, використовується в тиратроні та імпульсних лазерах, тліючий розряд, що горить у потоці газу, - в плазмохім. реакторах і для накачування активного середовища потужних безперервних та імпульсно-періодич. газові лазери.
Загальні властивості тліючого розряду
Тліючий розряд отримав свою назву через наявність на одному з електродів (катоді) т.з. тліючого свічення (TC, рис. 1). Це світіння обумовлено великим падінням потенціалу у вузькому шарі об'ємного заряду поблизу катода. Поблизу анода є тонкий шар об'ємного заряду, зв. анодним шаром (AC). Решта міжелектродного проміжку зайнята квазінейтральною плазмою. До зони TC примикає область фарадеєва темного простору (ФТП), що переходить у позитивний стовп (ПС), який є самостійним. частиною розряду, яка залежить від ін. шарів розряду.
Мал. 1. Зовнішній вигляд та розподіл напруженостіелектричного поля в тліючому розряді в трубці: 1 - 1 - катодний шар; 2-тліє світіння; 3-фарадєєво темний простір; 4 – позитивний стовп; 5 – анодний шар.
Товщина катодного шару (КС) та її характерні часи дуже малі, тому він наиб. автономен та його властивості є загальними більшість видів тліючих розрядів. Наявність великого стрибка потенціалу на КС стаціонарного тліючого розряду (200-400 В) обумовлено тим, що поле в КС має забезпечувати інтенсивну іонізацію та посилення іонного та електронного струмів. Ширина КС d дорівнює дек. довжинам іонізації електроном атомів чи молекул газу. Якщо порівн. щільність струму на катоді менша за величину нормальної щільності струму jн, то TC покриває лише частину катода. При збільшенні струму площа, зайнята струмом, збільшується пропорційно до струму, а напруга на КС постійно і дорівнює нормальному катодному падінню. Це важлива властивість тліючого розряду зв. законом нормальної густини струму. Гідродинамічні. модель (Енгеля - Штеєнбека) однорідного вздовж катода КС постулює, що величини Uн і jн дорівнюють хв. напруги та відповідної йому щільності струму теоретич. вольт-амперної характеристики (BAX). Ця модель правильно описує подоби законів, що спостерігаються експериментально: jн/p 2 , pdн, Uн залежать тільки від роду газу та матеріалу катода. Проте кількостей. збіг теорії з експериментом носить швидше випадковий характер. Постулат Енгеля - Штеєнбека та закон нормальної щільності струму знайшли підтвердження в рамках двовимірних нестаціонарних гідродинамічних. ур-ний, вирішених чисельними методами (рис. 2).
Мал. 2. Розподіл щільності струму на катоді в тліючому розряді в азоті (розрахунок) при тиску р = 5 тор, міжелектродній відстані 1 см; а - при струмі I=0,75 mА, б - при I=1,5 mA.
Аналогічніявища мають місце на аноді розряду, що тліє. Електрони, що виходять з плазми ПС, прискорюються на стрибку потенціалу AC і також, як і поблизу катода, виробляють іонізацію газу. Однак тут іонізація не така сильна, але вона необхідна, тому що емісія іонів з холодного анода відсутня. У стаціонарному тліючому розряді закон нормальної щільності струму проявляється в газі, що покоїться, за відсутності потоку газу. Гідродинамічні. модель плоского анодного шару, що враховує кінетич. ефекти, пояснює закони подібності: jн/p 2 , Uн залежить тільки від роду газу. Нестійкість плоского AC має теоретич. пояснення в рамках гідродинаміч. ур-ний, у цьому наближенні структура стаціонарної анодної плями визначається дифузією електронів.
Властивості ін областей тліючого розряду (TC, ФТП і ПС) досить сильно залежать від виду розряду. Розглянемо їх на прикладі класич. виду тліючого розряду - розряду в трубці з електродами на кінцях.
Тліючий розряд постійного струму в трубці
Оскільки товщина КС порядку довжини іонізації, частина електронів, прискорюючись на катодному стрибку потенціалу, набирає енергію, що дорівнює цьому потенціалу. В результаті інтенсивної іонізації газу цим пучком електронів в області TC утворюється шар плазми, що світиться, великої щільності. Величина електрич. поля тут близька до нуля. У міру просування від області TC у напрямку до анода щільність плазми падає через рекомбінацію та амбіполярну дифузію, електрич. поле росте, але ще недостатньо для іонізації та збудження атомів (область ФТП). Далі, в області ПС електрич. поле досягає величини, при якій іонізація електронами, що набирають енергію в цьому полі, стає істотною. Для електрич. поля в ПС справедливий закон подібності E/p=f(pR), що випливає з рівності швидкостей іонізації та втрат за рахунокамбіполярної дифузії до стін (теорія Шоттки) BAX ПС не залежить від струму, щільність плазми пропорційна щільності струму. Для молекулярних газів зі зростанням струму необхідно враховувати процеси об'ємної рекомбінації, що призводять до слабкого зростання напруги на ПС, при подальшому збільшенні струму відбувається нагрівання газу (для молекулярних газів). У атомарних газах зі збільшенням струму насамперед газ розігрівається, щільність його зменшується як наслідок, зменшується напруга на ПС. BAX при цьому падаюча.
Електрони в ПС термодинамічно нерівноважні. Їх ефф. темп-pa значно перевищує температуру атомів і молекул і становить 2-3 эВ. Ця обставина та однорідність E/p у довгих трубках використовуються для створення інверсної населеності атомів та молекул у газових лазерах.
Плоский самостійний розряд, що тліє
Потреби практики у підтримці тліючого розряду у великих обсягах привели до реалізації плоских розрядів, де відстані між бічними стінками перевищують міжелектродну відстань L. Плоский розряд використовують при середніх (10-100 тор) і високих (100 тор) тисках. Плоский тліючий розряд зберігає всі осн. риси тліючого розряду в трубці, проте область ФТП визначається балансом процесів амбіполярного дрейфу і рекомбінацією, а втрати рахунок дифузії до бічних стінок несуттєві. Оскільки характерний розмір ФТП Lф в цьому випадку не залежить від тиску газу, розряд, що тліє, виявляється суттєво неоднорідним і при порівн. тисках. Напр., для азоту Lф [см] = 0,1/j [A · см -2]. Вольт-амперна характеристика ФТП зростаюча:
У сильноточних розрядах підвищеного тиску усі неоднорідні області КС, AC, ФТП малі. При середніх та високих тисках нормальна щільність струму на катоді суттєво перевищує щільністьструму, що використовуються на практиці. Для того, щоб уникнути стягування струму на катоді (див. Контракція газового розряду) і наступного утворення дуги, катод ділять на секції, штучно розподіляючи струм в середньому рівномірно по катоду (рис. 3, а). Такий катод є набором штирів, приєднаних через опори до загальної шині. При зростанні струму, що стікає на один штир, напруга на ньому падає, що призводить до обмеження струму. Уникнути контракції можна також за рахунок підтримки розряду короткий час (
1 мкс), щоб нестійкість не встигла розвинутися, тобто за допомогою спец. системи живлення реалізують імпульсний розряд, що тліє. Однак і в цьому випадку необхідно приймати спец. заходи для однорідного пробою газу, т.к. через стримерний характер пробою розряд, минаючи фазу тліючого, переходить у дугу. Електроди можуть бути суцільними, проте або поблизу катода, або в об'ємі створюється попередня іонізація за допомогою допоміж. електрода, розміщеного поблизу катода або поза розрядним проміжком. При подачі напруги спочатку виникають розряди між катодом та допоможуть. електродом-утворюється плазмовий катод, потім імпульсний розряд, що тліє, розвивається в основному розрядному проміжку (рис. 3, б). Однорідність квазістаціонарного та імпульсного розрядів із секцінірів. катодами залежить від відстані між штирьками. Для стабілізації розряду, що тліє, застосовуються також комбінір. тліючий розряд і розряд змінного струму.
Мал. 3. Схеми збудження самостійного тліючого розряду: а - імпульсного, квазістаціонарного і стаціонарного розрядів у потоці газу, 1-анод, 2-штирі або вузькі пластини для розряду в потоці газу, Rб-баластні опори; б- імпульсного: 1-катодна пластина, 2 - анод,3-ємність допоміжного розряду; в - ємнісного самостійного розряду: 1 -діелектричні пластини, 2 електроди.
Tліючий розряд комбінованим та змінного струму
Хоча технічно ці види розряду відрізняються дуже суттєво, їх ріднить спільність механізму перебігу струму. В обох розрядах струм тече рекомбінуючою плазмою; іонізація здійснюється протягом короткого проміжку часу періодично з частотою, більшою за зворотний час рекомбінації. У т.з. комбінір. розряді іонізація відбувається при подачі допомоги. високовольтних імпульсів напруги на штирі. основ. розряд підтримується між катодом та анодом від джерела пост. напруги. Оскільки щільність плазми залежить від пост. напруги, такий розряд у проміжку між імпульсами є несамостійним. T. о., комбінір. тліючий розряд складається з 2 розрядів: самостійного та несамостійного.
У розряді змінного струму іонізація здійснюється на момент макс. напруги на розрядному проміжку, решта часу такий розряд, що тліє, також є несамостійним. Характерна особливість такого розряду - простота реалізації катоду: його покривають ізоляційним шаром з великою діелектрич. проникністю (рис. 3, в), що є реактивним баластним опором. Використання такого баласту значно підвищує ккд розряду проти розрядом пост. струму з активним опором (рис. 3 а). Механізм протікання струму в розряді, що тліє, змінного струму істотно залежить від частоти джерела живлення і провідності плазми s. При низьких частотах (10-100 кГц), коли w/4ps & gt; 1 і замикання струму КС і AC здійснюється струмами зсуву, необхідність в інтенсивній іонізації відпадає, приелектродні BAX мають поклад. диференц.опором, і ці шари стабілізують вплив на розряд.
Несамостійний тліючий розряд
Несамостійний розряд, що тліє, відрізняється від самостійного тим, що провідність його підтримується за допомогою зовніш. іонізатора (рис. 4). Тому найважливішою характеристикою T. p. E/p можна керувати в широких межах та незалежно від струму. Широко поширений несамостійний T. р., що підтримується пучком швидких електронів (
200 кеВ). Чим більший струм пучка, тим вища концентрація розрядної плазми. Структура несамостійного розряду, що тліє, схожа на структуру самостійного тліючого розряду. На КС зовніш. іонізація істот. впливу не надає, тому що ударна іонізація перевершує зовнішню. Цей шар може контрагувати, як і самостійно. тліючий розряд. Проте характер контракції тут інший. Розряд на катоді розбивається на безліч плям (рис. 5). Оскільки ПС несамостійного тліючого розряду має великий поклад. диференц. опором, він чинить стабілізуючий вплив на КС і перешкоджає злиттю плям. Як і самостійно. розряді, контракція на катоді не виникає при використанні імпульсів малої тривалості (6 см / с) і істотно змінюють деякі характеристики ПС тліючого розряду: і т. д.
За зовніш. прояву на доменну нестійкість схожі страти .Однак вони мають ін. Природу і пояснюються дією разл. механізми посилення іонізації, напр. за рахунок ступінчастої іонізації та електрон-електронних зіткнень.