10. Дуговий розряд

Самостійний дуговий розряд

При переході від нормального тліючого розряду до аномального при збільшенні струму відбувається зменьшення U_к – катодного падіння потенціалу та зменшення d_к-ширини області катодного падіння потенціалу. U_к порядку потенціалу іонізації, або збудження атомів тобто порядку 10 еВ. Це є наслідком дії інакших аніж у тліючому розряді механізмів катодної емісії. Також із–за цього енергія іонів, що бомбардують анод, зростає. При великих розрядних струмах ( точка „е” на ВАХ розряду) – розігрів катоду стає дуже помітним.

Катоди дуг випускають електрони в результаті термоелектронної, автоелектронної, та термоавтоелектронної емісії.

Важливу роль відіграють катодні плями. Розглянемо причини виникнення катодних плям.

Із–за неоднорідності катоду та від різних умов охолодження окремих ділянок катоду одна з ділянок катода розігрівається сильніше і починає емітувати електрони додатково. Зростання І_е з цієї ділянки призводить до утворення більш інтенсивної місцевої лавини і, таким чином, до подальшого зростання числа іонів, що бомбардують цю ділянку. Ці процеси призводять, в свою чергу, до стягування розряду у пляму малого розміру. Ця пляма називається катодною плямою. В плямі головна емісія – це термоемісія, а не - процес. В трубці встановлюється нова форма розряду – дуговий. Як і при тліючому розряді перед катодом знаходиться ділянка катодного падіння потенціалу. Однак відмінності у них дуже помітні: 1) ширина d_к~ довжині вільного пробігу електрона ( у тліючому розряді dк ~ декілька ). 2) U_к дугового розряду << U_к тліючого розряду.

Можливість горіння розряду при малому Uк пояснюється тим, що а) зменшення dк призводить до підтримки біля катоду помітного градієнту потенціалу; б) для підтримки високої температури плями важлива не енергія окремого іона, що бомбардує катод, а їх сумарна енергія. Густина енергії виявляється великою, бо при переході до дугового розряду дуже сильно зростає струм і особливо густина струму у катодній плямі.

Стовп дугового розряду, який знаходиться за ділянкою катодного падіння потенціалу, займає майже весь розрядний проміжок і якісно такий же, як у тліючого розряду. Кількісні відповідності пов’язані з величиною розрядного струму.

Зменшення напруги на трубці при переході від тліючого розряду до дугового відбувається автоматично за рахунок збільшення падіння напруги на баластному опорі при зростанні струму. Якщо катодом є ртуть, або легкоплавкий метал, то такого сильного нагрівання не може бути, бо енергія іонів визначається на випаровуванні матеріалу катоду. В трубках з такими катодами емісія електронів забезпечується автоелектронною емісією. Утворенню сильного електричного поля біля катоду сприяє інтенсивне випаровування матеріалу катода, яке безпосередньо біля катоду утворює високий тиск речовини. При цьому (середня довжина вільного пробігу електронів), а отже і dк ( ширина ділянки катодного падіння потенціалу) спадає до м., тобто автоемісією забезпечено!

Несамостійний дуговий розряд

Катод гріється від зовнішнього джерела, наприклад, джерелом електронів є термокатод ( оксидний або МПК ). Якісно теорія залишається тією ж.

Звичайно існує ще велика кількість дугових розрядів. Але основний механізм ми вже розглянули, тому не будемо на них зупинятися.

Розглянемо деякі практичні застосування дугових розрядів. Наприклад, побудова фулеренів в розряді

Тиск був 100-150 мм. Рт. Стовбчика. Для того щоб оптимізувати процес треба піднести поверхню до того місця, де їх уносять. Для цього є трубка з певним ексцентриситетом. Як результат 25% фулерени. Якщо туди додати більше Не, то утворюються нанотрубки.

Взагалі кажучі на сьогоднішній день не можна вважати, що все створюється в об’ємі. Для нанооб'єктів більш визначні поверхневі властивості, а не об'ємні.