Обзор (1)

Исследования обрыва тока в газовых разрядах низкого давления

Настоящая работа посвящена изучению явления обрыва тока в газовых разрядах с сужением разрядного канала при низком давлении. В работе выполнен обзор основополагающих работ таких авторов как В.Л. Грановский,

Т. Вассераб, И. Ленгмюр, Л. Тонкс, Л.А. Сена, Б.Н. Клярфельд и др.,

опубликованных в период с 1923 по 1977 г., в которых показано, что основной причиной обрыва тока является нарушение равновесия между скоростью ионизации газа и скоростью ухода ионов из межэлектродного пространства.

Среди причин, вызывающих такой дисбаланс указывается наличие в окрестностях сужения разрядного канала двойного слоя и соответствующего скачка потенциала, способного привести к разрежению газа в сужении и погасанию разряда. Особый интерес представляют результаты теоретических и экспериментальных исследований формирования двойного слоя, полученные в рассматриваемых публикациях. Не менее значимы исследования режимов горения разряда, сопровождающихся генерацией релаксационных колебаний большой мощности, а также влияния параметров внешней электрической цепи,

положения диафрагмы и давления наполнителя на величину критической плотности тока, частоты колебаний разрядного тока и времени горения разряда.

Введение

На сегодняшний день вопрос о предельных условиях существования стационарного режима газового разряда представляет особый интерес в связи с исследованиями и разработкой нового класса радиационно-стойких приборов для управления током в цепях низкого напряжения (ключевых элементов,

инверторов, стабилизаторов и др.).

Успех технических решений при разработке управляемых приборов плазменной энергетики тесно связан с исследованиями роли геометрии границ прибора и дополнительных электродов в реализации непрерывного контроля свойств плазмы и режимов разряда [1, 2]. Не меньшее значение имеют

1

исследования плазмы двойных слоев, формирующихся в окрестностях дополнительных электродов и сужений разрядного канала, т.к. слои определяют механизм прохождения тока через разрядный промежуток. При этом важно, что именно диапазон низких давлений (10−3-10−2) тор оказывается рабочим для приборов такого типа.

Факт погасания разряда низкого давления при больших разрядных токах широко известен в практике эксплуатации ртутных выпрямителей, в

положительном столбе разряда с сужением канала, и в трехэлектродных приборах, имеющих объемную конструкцию управляющего электрода.

Количество работ, известных авторам, так или иначе затрагивающих это явление, не превышает 35 за период с 1923 г. по 1977 г. В то же время по конструктивным особенностям межэлектродных промежутков исследуемых разрядов все работы могут быть разделены на две группы:

I. Разряд между плоскими электродами с коротким разрядным промежутком, когда длина свободного пробега электронов λe >> d (d-

межэлектродное расстояние).

II. Разряд между электродами в длинной цилиндрической трубке, когда

λe << d.

Общим для этих групп работ является либо наличие, либо отсутствие геометрического сужения разрядного канала. Большинство публикаций, в

которых рассматривается явление обрыва тока, относится к группе II.

Рассмотрим основные из этих работ, отражающие существующие в литературе представления о причинах, приводящих к обрыву тока в разрядах низкого давления.

1. Изменение плотности нейтральной компоненты плазмы в слое перед сужением канала разряда

1.1 Расчет предельных значений (PR)min, ограничивающих существование положительного столба разряда низкого давления

2

приведено сравнение расчетных значений (PR)min [3] с экспериментальными данными [11] для различных газов.

Таблица 1. Сравнение расчетных значений (PR)min с экспериментальными данными для различных газов

Видно, что экспериментальные данные значительно превышают расчетные.

Автор [3] относит эти расхождения к существенной неравновесности плазмы,

имеющей место во всех реальных экспериментах. В связи с этим результаты [3]

не могут быть прямо использованы при анализе явления обрыва тока в реальных системах, хотя основная причина погасания разряда, связанная с наличием максимума у функции ионизации, по-видимому, должна играть свою роль в разрядах низкого давления, имеющих сужение разрядного канала.

В таких разрядах могут реализовываться несколько причин, по которым с ростом плотности разрядного тока происходит нарушение ионизационного равновесия между скоростью ионизации газа и скоростью ухода ионов из межэлектродного пространства. Рассмотрим основные из этих причин.

1.2 Двойной электрический слой перед сужением положительного столба

разряда

Параметры однородного столба разряда неизменны вдоль его оси. Если катодная часть разряда радиуса R1 переходит в анодную часть столба радиуса

R2 (R2 < R1), то параметры плазмы будут различными в разных частях разряда

(они зависят от радиуса). В частности, ионная составляющая тока в узкой части разряда оказывается меньше, чем в широкой.

6

убывающей.

Т.к. давление P и ток i одинаковы в обеих частях прибора, то ионный ток

ii, текущий к катоду (8) является возрастающей функцией R. В этом случае меньшая величина ионного тока, текущего из узкой части трубки приводит к дефициту ионов в широкой части. Вблизи устья сужения возникает область отрицательного объемного заряда со стороны катода. Согласно уравнению Пуассона, в этой области резко возрастает поле, ускоряющее электроны в узкую часть разрядного канала, в результате чего ионизация в пограничной области в сужении сильно возрастает. С катодной стороны сужения образуется переходная область, состоящая из двойного заряженного слоя пространственного заряда с отрицательным зарядом со стороны катода и положительным - со стороны анода.

Величина скачка потенциала Uc автоматически устанавливается такой,

чтобы обеспечить создание необходимой концентрации ионов в широкой части трубки. Поле двойного заряженного слоя служит для электростатической фокусировки разряда из широкого канала в узкий. В работе [13] выполнен расчет величины скачка потенциала в сужении по параметрам невозмущенной

7

плазмы, измеренным до и после сужения при следующем предположении: в

устье сужения имеется двойной слой пространственного заряда, разделяющий две плазмы с различными концентрациями и температурами электронов ne1; Te1 и ne2; Te2 (рис. 3).

Общее уравнение движения электронов запишем в виде:

В работе [14] экспериментально установлено, что скачок потенциала в

слое Uc не зависит от тока вплоть до некоторого критического значения, после которого он резко возрастает, т.е. при токах меньших критического можно считать Uc=const и искать его при токе i = 0. Тогда соотношение (9) примет вид:

Интегрируя по слою, находим скачок потенциала Uc:

Если считать, что температура Te в слое изменяется скачком, а концентрация электронов из-за диффузии изменяется плавно, то проинтегрировав по

Отсюда падение потенциала на двойном слое Uc:

Аналогичное соотношение было получено в работе Сена [15] при нахождении скачка потенциала на границе между двумя плазмами с различными ne и Te.

Рассмотрение велось с точки зрения классической теории контактных явлений в металлах. Разность потенциалов между областями находится согласно [16]:

8

экспериментальных значений величин скачка потенциала. Соотношение (14)

можно рассматривать как обобщение уравнения Больцмана

заданном R1/R2. На рис. 5 представлена зависимость = ( 1) для различных

2

PR1, построенная по данным [13]. Опишем качественно основные результаты,

полученные зондовыми измерениями в трубках с сужением в ртутной дуге [3].

-Непосредственно у устья сужения кривая потенциала испытывает резкий изгиб вверх (рис. 6а). Область скачка потенциала соответствует области пространственного заряда, расположенной у устья сужения.

-Электронная температура Te при переходе в узкую часть трубки меняется скачком (рис. 6б).

9

- Ток на зонд имеет максимум, соответствующий наибольшей ионизации,

производимой быстрыми электронами в устье сужения (рис. 6в).

-Скачок потенциала в области сужения имеет место при любых размерах

иформах сужения.

-Зависимость величины скачка потенциала Uc от PR1 для различных значений R1/R2 в эксперименте хорошо совпадает с расчетом Вассераба [13]

(см. рис. 5).

-Когда Uc достигает критических значений, разряд переходит в неустойчивый режим горения, что связано с уменьшением концентрации нейтралей в области сужения с ростом разрядного тока.

1.3 Изменение концентрации нейтрального газа в области двойного заряженного слоя перед сужением

Наличие в слое перед сужением канала разряда скачка потенциала,

ускоряющего электроны в узкую часть разряда, может привести к разрежению газа в сужении [17]. При прохождении через двойной слой заряженные частицы приобретают равные и противоположно направленные импульсы. Часть этого импульса ионы и электроны передают атомам газа при столкновении, что может привести к заметному вытеснению газа из двойного слоя перед сужением. Импульсы, приобретаемые ионами и электронами при прохождении двойного слоя:

где iex, iix – части тока, переносимые электронами и ионами в направлении движения, Uc –скачок потенциала в двойном слое, Vec, Vic – скорости электронов и ионов соответственно, приобретаемые на скачке потенциала Uc.

10