Коронный разряд

Коронный разряд — самостоятельный разряд, который возникает только при условии очень большой неоднородности электрического поля хотя бы у одного из электродов (острие — плоскость, нить — плоскость, две нити, нить в цилиндре большого радиуса и т.д.). Условия возникновения и развития короны различные при разной полярности «острия» (назовем так электрод, вблизи которого Е сильно неоднородно).

Если острие — катод (корона «отрицательная»), то зажигание короны по существу происходит так же, как в тлеющем разряде, только для определения первого коэффициента Таунсенда  (так как поле Е сильно неоднородное) в воздухе (практически важный случай) надо учитывать прилипание (наличие кислорода), так что

((x)-_п(x))dx =ln(l+^-1), (8.26)

где _п— коэффициент применения, x₁ — расстояние до точки, в которой Е уже так мало, что ионизация не происходит: Е  0. В такой короне есть свечение только до расстояния, тоже примерно, равного x₁. Если «острие» — анод (корона «положительная»), то картина существенно меняется: около острия наблюдаются светящиеся нити, как бы разбегающиеся от острия (рис. 8.9). Вероятно, это стримеры от лавин, зарожденных в объеме фотоэлектронами. Очевидно, что и критерий зажигания другой — такой, как для образования стримера. В любом коронном разряде существенна неоднородность Е, т.е. конкретная геометрия электродов.

Полной ясности в механизме горения разряда нет, но это не мешает применению коронных разрядов в промышленности (электрофильтры); в счетчиках Гейгер—Мюллера тоже работает коронный разряд. Но он бывает и вреден, например, на высоковольтных линиях (ЛЕП) коронные разряды создают заметные потери.

Короны бывают прерывистыми с различными частотами: у положительных до 10⁴ Гц, у отрицательных — 10⁶ Гц — а это радиодиапазон помехи. Механизм прерывистости разряда у положительной короны, видимо, связан с тем, что электроны стримеров втягиваются в анод, положительные остовы экранируют анод, новые стримеры не могут создаваться, пока остовы не уйдут к катоду. Тогда анод «откроется» и картина повторится. Для отрицательной короны существенно наличие в воздухе кислорода — немного отойдя от короны электроны прилипают к кислороду, отрицательные ионы экранируют острие, и пока они не уйдут к аноду, разряд прекращается. После ухода ионов разряд возникнет вновь и картина повторится.

Рис. 8.9. Стример от положительного стержня диаметром 2 см на плоскость на расстоянии 150 см при постоянном напряжении 125 кВт; справа — расчет, проведены эквипотенциальные поверхности, цифры около кривых — доли от приложенного напряжения, отсчитанные от плоскости; слева — фотография стримеров в тех же условиях

Высокочастотные (вч) разряды

В ВЧ-диапазоне (10^-1  10² МГц) принято различать Е и Н типы разрядов — по определяющему вектору электромагнитного поля. В лазерной технике используют Е (емкостные) разряды, помещая рабочий объем в конденсатор, к пластинам которого подводят ВЧ-напряжение (пластины иногда прямо вводят в объем, иногда изолируют диэлектриком — обычно стеклом). Мощности этих разрядов небольшие (их задача поддержать ионизацию), но напряженности Е велики — до десятков кэВ.

Применение ВЧ индукционных полей (Н -полей) уже с конца 40-х г. стало весьма широким, хотя, в основном, в виде ВЧ-печей. Везде, где нужно чистое тепло и есть проводящая среда, Н поля незаменимы. Это и производство полупроводниковых материалов, и зонная плавка чистых металлов, и сверхчистые химические соединения и даже бытовые печи.

Рис. 8.10. Индукционный разряд в трубке радиусом R, вставленной в длинный соленоид; r₀ - радиус плазмы, справа - распределение температуры по радиусу

Правда, в этих устройствах почти нет необходимости согласования генератора и нагрузки — соотношение реактивного и активного сопротивлений нагрузки меняется мало. А вот в разрядах дело сложнее: изменение параметров среды разряда (сопротивление, самоиндукция, взаимоиндукция — связь с индуктором) могут меняться в широких пределах. Обычно индуктор — катушка (бывает и один виток!), внутри которой и происходит разряд (рис. 8.10).

Переменное поле направлено вдоль оси катушки, поле аксиально к ней. Для поддержания разряда нужное существенно меньше, чем для его зажигания. Поэтому обычно вводят в объем тонкий металлический электрод, он разогревается, дает термоэлектроны (иногда частично испаряется), инициирует разряд, после чего его удаляют. Во время работы мощность вводится потоком электромагнитной энергии:

<S> = (с/4)<ЕН>,(8.27)

а отводится чаще всего потоком газа (он ионизуется и уносит энергию). Но электромагнитная энергия проникает в плазму (проводник) на глубину х, спадая по экспоненте ехр(—х/), где  — так называемый скинслой, и его условились считать глубиной проникновения потока:

² = c²/(2) , (8.28)

где с — скорость света,  — проводимость проводника,  — частота ВЧ

Если  < R, то энергия поглощается, в слое толщиной δ, образуя проводящий цилиндр. Распределение по радиусу температуры Т и проводимости σ представлены на рис. 8.11, по существу, это полный аналог каналовой модели дуги, ее называют «моделью металлического цилиндра». Следует отметить, что реально можно управлять давлением р (желательно побольше!) и потоком <ЕН>, определяемым ампервитками:

<ЕН> ~ IN (где I — ток, N — число витков на единицу длины индуктора).