Лекция №7 Самостоятельные разряды: Тлеющий разряд. Теория катодного слоя

Тема сегодняшней лекции тлеющий разряд. Тлеющий разряд наиболее изученный разряд. Интерес к нему был возобновлен некоторое время назад из-за вомзожности его использования для создания активной среды газовых лазеров.

На первых слайдах изображены вольтамперные характеристики газового разряда мжу плосткими электродами. Как мы уже знаем из предыдущих лекций на участке ABC вольт-амперной характеристики ток в цепи может возникнуть только при наличии внешнего источника ионизации. Далее подключается механизм ионизационного усиления и зажигается самостоятельный разряд. Сначала это темный Таунсендовский с эле заметным свечением. Подробно на нем мы останавливатьс яне будем. Далее

С уменьшением нагрузочного сопротивления цепи и увеличением пространственного заряда в газоразрядной трубке правый конец нагрузочной прямой Е перемещается по оси тока вправо, и разряд переходит в диапазон токов, отвечающий тлеющему разряду.Оставляя пока в стороне вопрос, почему вольтамперная характеристика тлеющего разряда имеет такую форму, перейдем к описанию его феноменологических свойств.

Феноменологически тлеющий разряд представляет собой сложную, но всегда определенную, последовательность по-разному светящихся зон, показанных на рис.

Астоново темное пространство (АТП); Катодная светящаяся пленка (Катодное свечение) (КСП); Катодное (круксово) темное (КПП); Область тлеющего свечения (ОТС); Фарадеево темное пространство (ФТП); Положительный столб (плазма) (ПС) ; Анодное темное пространство (АТМ); Анодное свечение (АС).

Как видно из этого рисунка, основное падение потенциала происходит вблизи катода. Оно обеспечивает ускорение ионов, приходящих их межэлектродного промежутка и обеспечивающих вторичную эмиссию электронов из катода. Электроны, покидая катод, движутся с ускорением. Пока их скорость не достигла порога возбуждения, они не способны возбуждать газ, и поэтому непосредственно к катоду прилегает темное астоново пространство. Ускоряясь далее в электрическом поле, они начинают возбуждать атомы в области, называемой по этой причине катодным свечением.

При дальнейшем ускорении электронов в катодном темном пространстве их энергия переваливает максимум сечения возбуждения (поэтому интенсивность свечения здесь падает) и достигает потенциала ионизации. Именно здесь, в основном, происходит лавинная ионизация и рождается большинство ионов. Слой положительного пространственного заряда “экранирует” остальную часть промежутка, где напряженность поля становится малой. Интенсивный поток электронов теряет свою энергию и снова начинает возбуждать атомы (отрицательное свечение). В этой зоне наблюдается избыточный отрицательный заряд, а напряженность поля минимальна. Далее в фарадеевом темном пространстве напряженность поля постепенно возрастает до значения, сответствующего положительному столбу, который представляет собой низкотемпературную плазму с почти хаотическим движением заряженных частиц. Напряженность поля в столбе поддерживается на минимальном уровне, который обеспечивает замыкание тока в разрядной трубке. Небольшое анодное падение потенциала обеспечивает сбор электронов анодом, ускоряя электроны и вызывая анодное свечение.

В самом начале исследований тлеющего разряда было обнаружено, что при постоянном напряжении на промежутке с повышением давления газа все прикатодные слои стягиваются к катоду, а положительный столб занимает почти всю длину трубки. При 100 Тор кажется, что “тлеет” сам катод (в действительности,–отрицательное свечение), поэтому разряд и получил название тлеющего. Стало также ясно, что основные события происходят в прикатодных слоях, и что положительный столб играет, в основном, роль проводника, переносящего ток от анодного слоя к катодному.

По мере перехода от темного разряда к тлеющему накопление пространственного заряда приводит к искажению поля и формированию катодного слоя, в котором напряженность поля максимальна, и положительного столба (ПС) с током, минимально необходимым для переноса тока через газоразрядную трубку. Катодный слой, в котором напряжение близко к Vmin (по Пашену), формируется на оптимальной длине (pd)min, что дает возможность поддерживать разряд, “экономя” напряжение. ПС только обеспечивает проводимость до анода.

Для определения вольт-амперной характеристики (ВАХ) катодного слоя решают систему уравнений,

первые два из которых – уравнение Пуассона и условие зажигания самостоятельного разряда

Энгель и Штеенбек решили задачу вычисления ВАХ для эмпирически обоснованного распределения E в катодном слое d_к

При таком распределении задачу можно решить только численно, что и было ими сделано. (Эту задачу, однако, можно решить аналитически с точностью до константы порядка единицы, если принять, что распределение E в слое есть константа E_0. )

Получим из уравнения Пуассона выражение для плотности объемного заряда

Теперь найдем катодное падение напряжения на слое принтегрировав выражение для напряженности поля

Запишем плотность тока разряда, учитыва то, что в рассматриваемой задаче нет внешнего истоника ионизации, т.е. воспроизводство электронов происходит за счет вторичных процессов на катоде

Из полученной формулы видно, что ток пропорционален квадрату напряжения (вспоминаем, что для вакуумного диода зависимость тока от напряжения выражается формулой Чайльда-Легмюра, т..е ток пропорционален напряжению в степень 3/2)

Теперь подключим условие самоподдрежания разряда и получим зависимоть для толщины катодного слоя

Ввдем константы

и построим в безразмерных величинах график завимости С₁U_к от С₂j

Левая часть кривой (представленная жирным пунктиром) не реализуется. Вместо предсказываемого теорией подъема, напряжение при дальнейшем снижении j остается почти

постоянным (бледный пунктир). Эта величина варьируется в диапазоне Un ∼ 100÷500B от аргона до окиси углерода. Таким образом мы получили для тлеющего разряда аналог ВАХ, где роль тока играет, однако, плотность тока.

Почему не реализуется левая ветвь кривой напряжения? Потому, что после достижения j, соответсвующего минимуму по напряжению, плотность тока на работающей поверхности катода остается постоянной j = i/S= const . Отсюда следует, что при любом изменении тока площадь, занятая катодным пятном изменяется пропорционально току. Тлеющий разряд, работающий в таком режиме называется нормальным тлеющим.

Правая ветвь, соответствующая росту напряжения на катодном слое называют аномальным тле-

ющим разрядом.

Вычислин нормальную плотность тока

И нормальное падение напряжения

Из нормальной плотности тока и нормального падения напряжения можно получить интересный результат:

где k= 0,67, а С= 6.

Следует запомнить этот результат: толщина катодного слоя умноженная на давление есть величина постоянная!

На следующем слайде преведены экспериментальные данные измерения нормальноо падения напряжения и толщины катодного слоя с системе с алюминиевым катодом. Как можно видеть нормлаьное катодное падение составляет величины от 68В до 450 В в зависимости от рода газа и материала катода. А толщина катодного слоя по порядку величины около мм, что как правило для давлений, при которых горит тлеющий разряд больше длины свободного пробега электронов.

Также следует отметить, что :

1. Тлеющий разряд(ТР) - самостоятельный разряд с холодным катодом, характеризующийся механизмом вторичной ион- электронной эмиссии и Таунсендовским механизмом ионизации

2. В катодном слое ТР идет образование лавин, т.е. катодный слой тлеющего разряда всегда столкновительный:

3. Увеличение тока приводит к увеличению увеличение нагрева электронов, что в свою очередь приводит к увеличению ионизации. При этом катодный слой становится бесстолкновительным и разряд переходит в дуговой режим

Для аномального телющего разряда существует эмпирическая формула

Контрольные вопросы к лекции №7:

1. Нарисуйте ВАХ газового разряда с плоскими электродами, объяснив какие области относятся к какому виду разряда

2. Назовите в последовательности светящиеся и темные зоны тлеющего разряда. Объясните причину их существования.

3. Является ли катодный слой тлеющего разряда принципиально столкновительным?

4. Какие части в тлеющем разряде необходимы для его существования, а без каких можно обойтись?

5. Какое приближение использовали для теории катодного слоя Энгель и Штеенбек?

6. Что такое нормальный тлеющий разряд? В чем его особенность?

7. Что такое аномальный тлеющий разряд?

8. Можно ли плотность тока в тлеющем разряде оценивать по формуле Чайльда- Легмюра? Почему?

9. Чему равно типичное нормальное падение напряжения в тлеющем разряде?

10. Что такое положительный столб?