Тлеющий разряд

Тлеющий разряд

Тлеющий разряд - это электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамической неравновесностью и квазинейтральностью, возникающей в разряде плазмы. Эффективная температура электронов существенно выше температуры газа и электродов. Термоэмиссия практически отсутствует (электроды холодные). Свое название разряд получил из-за наличия около катода так называемого тлеющего свечения. Благодаря свечению газа тлеющий разряд нашел широкое применение в лампах дневного света, различных осветительных приборах и т.п. Классическая схема установки для изучения тлеющего разряда

изображена на рис. 8.3, где 1- стеклянный баллон, диаметром 1-3 см, длинной до 1 м; 2 - катод; 3 - анод; 4 - балластное сопротивление (обязательный элемент); А - микро-, милли-, или просто амперметр. Баллон 1 можно откачать и затем заполнить выбранным газом до заданного давления. Обычно в разряде наблюдаются три визуально различимые области: а) прикатодная область, на ней падает напряжение Uk, обычно 200) 700 В; б) положительный столб - в физике тлеющего разряда пассивный элемент: сближая анод и катод можно ликвидировать положительный столб, разряд будет гореть; однако в технике положительный столб - полезный элемент: он светится в рекламных трубках, он и есть активная среда в газовых лазерах, напряжение на нем определяется именно техническими требованиями, например, длиной рекламных трубок; в) прианодный слой обычно очень тонкий, состоит из светящейся "пленки", и тонкого темного участка. Долго считали, что он тоже "пассивный", однако теперь доказано, что некоторые неустойчивости прямо связаны с ним. Падение напряжения на Темный (таунсендовский) разряд

Темный (таунсендовский) разряд - это электрический разряд в газах при низком давлении (порядка нескольких Торр) и очень малых токах (менее 10° А). Электрическое поле в разрядном промежутке однородно или слабо неоднородно, и не искажается пространственным зарядом, который пренебрежимо мал. Назван по имени Таунсенда, который в 1900 г. создал теорию электронных лавин, по которой при условии выполнения развития самостоятельного разряда (8.19) ток разряда должен неограниченно возрастать со временем. Реально же ток ограничен параметрами цепи. Очень малый ток таунсендовского разряда обусловлен большим сопротивлением внешней цепи. Если сопротивление внешней цепи снижать, увеличивая ток, то таунсендовский разряд переходит в тлеющий.

Тлеющий разряд - это электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамической неравновесностью и квазинейтральностью, возникающей в разряде плазмы. Эффективная температура электронов существенно выше температуры газа и электродов. Термоэмиссия практически отсутствует (электроды холодные). Свое название разряд получил из-за наличия около катода так называемого тлеющего свечения. Благодаря свечению газа тлеющий разряд нашел широкое применение в лампах дневного света, различных осветительных приборах и т.п. Классическая схема установки для изучения тлеющего разряда

изображена на рис. 8.3, где 1- стеклянный баллон, диаметром 1-3 см, длинной до 1 м; 2 - катод; 3 - анод; 4 - балластное сопротивление (обязательный элемент); А - микро-, милли-, или просто амперметр. Баллон 1 можно откачать и затем заполнить выбранным газом до заданного давления. Обычно в разряде наблюдаются три визуально различимые области: а) прикатодная область, на ней падает напряжение Uk, обычно 200) 700 В; б) положительный столб - в физике тлеющего разряда пассивный элемент: сближая анод и катод можно ликвидировать положительный столб, разряд будет гореть; однако в технике положительный столб - полезный элемент: он светится в рекламных трубках, он и есть активная среда в газовых лазерах, напряжение на нем определяется именно техническими требованиями, например, длиной рекламных трубок; в) прианодный слой обычно очень тонкий, состоит из светящейся "пленки", и тонкого темного участка. Долго считали, что он тоже "пассивный", однако теперь доказано, что некоторые неустойчивости прямо связаны с ним. Падение напряжения на

Рис. 8.3. Классическая схема для изучения газового разряда

что в плазме имеются процессы с очень разными характерными временами, поэто­му величина отношения последних к периоду поля может существенно влиять на характеристики плазмы. Еще одним важным параметром является ток разряда, ко­торый определяется как характеристиками разрядного промежутка, так и парамет­рами внешней цепи и определяет мощность энерговклада в плазму.

Явления пробоя в постоянном поле мы уже рассмотрели (левая верхняя клетка таблицы). Перейдем теперь к установившемуся разряду в постоянном поле.

10.2. Разряд в постоянном поле

Поскольку при частоте приложенного поля до 100-1000 Гц характерные времена релаксации гораздо меньше периода изменения поля, все процессы успевают при­ходить в соответствие с приложенным напряжением и в каждый момент времени такой разряд можно рассматривать как разряд в постоянном поле. Сначала опишем качественно вольт-амперную характеристику разряда в промежутке, связав ее с при­ложенным напряжением и величиной сопротивления внешней цепи, изображенной на рис. 10.1.

Рассмотрим газ, находящийся между электродами. В промежутке всегда имеется небольшое количество электронов и ионов^[1], возникающих за счет ионизации газа космическим излучением, эмиссии с поверхностей или дополнительных источников.

постоянного тока

Начнем при некотором постоянном сопро-

тивлении внешней цепи R поднимать напря­жение на источнике. После подачи напряже­ния часть заряженных частиц будет прихо-

дить на электроды и в цепи появится ток. По г iepe роста напряжения ток во внешней це- I и будет расти за счет увеличения сбора за- яженных частиц электродами. Это показа- о на рис. 10.2 как фоновая ионизация (уча­сток АВ). При дальнейшем повышении на­пряжения поле в промежутке растет и соби­рает все заряды на электроды, что обозначе­но как режим насыщения (участок ВС). Оче­видно, что если имеется внешний источник, дополнительно ионизирующий газ (или вызывающий эмиссию электронов с катода), то прямая ВС сместится вправо. Режим насыщения используют в ионизационных камерах для измерения мощности источника ионизирующего излучения. Эти два ре­жима несамостоятельного разряда характеризуются отсутствием газового усиления и малыми токами.

При дальнейшем увеличении напряжения источника в промежутке возникает га­зовое усиление (генерация лавин), ток в промежутке возрастает, хотя разряд по- прежнему остается несамостоятельным. Эта часть (участок СЕ) вольт-амперной ха­рактеристики также возрастающая. Газовое усиление растет с ростом напряжения на промежутке. Вблизи точки Е поле в промежутке начинает искажаться простран­ственным зарядом, вследствие чего, как показано в предыдущих главах, разряд пе­реходит в стримерный режим, приводящ Разрядный ток в амперах Рис. 10.2. Вольт-амперная характеристика электрического разряда постоянного тока. Шка­ла тока (ось абсцисс) вплоть до точки Я соответствует разряду в неоне при °° „ ФТор в трубке длиной 50 см с медными электродами площадью 10 см^у [50]. Для дуговых разря­дов токовая шкала указывает на характерные значения тока и не привязана к конкретной геометрии

таких условиях почти не излучает. Практически все напряжение источника на этом участке приложено к разрядному промежутку. Правда, следует отметить, что если на каком-либо электроде имеется усиление поля (острие), то на участке DE может сформироваться коронный разряд, который также при дальнейшем росте напряже­ния переходит в самостоятельный.

По достижении усиления промежутка, равного единице, разряд становится само­стоятельным и не требует для своего поддержания внешнего ионизатора. Ток в про­межутке возрастает, сопротивление промежутка становится сравнимым с сопротив­лением внешней цепи R, и напряжение на промежутке падает. Дальнейшее движение по оси тока молено осуществлять либо поднимая напряжение источника, либо умень­шая сопротивление резистора. В результате сначала возникает нормальный тлею­щий разряд с почти постоянным напряжением в широком диапазоне токов (участок FG). Начиная с некоторого тока напряжение начинает возрастать. Эту ветвь V-A- характеристики называют аномальным тлеющим разрядом (участок GH). В точке Н напряжение снова падает и возникает сначала нетермический дуговой разряд (уча­сток IJ), а затем — термический дуговой разряд (участок JK).

10.9. Устройства с тлеющим разрядом

Существует много разновидностей тлеющего разряда, отличающихся конфигу­рацией электродов, приложенным напряжением, параметрами газа, наличием или отсутствием магнитного поля и т. п. Их подробное описание выходит за рамки объе­ма данного пособия, но тем не менее некоторые из них заслуживают хотя бы краткого упоминания. В данном разделе мы сделаем это на примере ряда промышленных и лабораторных устройств.

Если длина разрядной трубки оказывается меньше, чем толщина катодного слоя c?q нормального тлеющего разряда при данном давлении газа, то для поддержания самостоятельного разряда к электродам требуется приложить более высокое напря­жение. Такой разряд соответствует левой ветви кривой Пашена и называется затруд­ненным тлеющим разрядом. Катодное падение в таком разряде выше, чем обыч­ная минимальная пашеновская величина. Плотность электронов также существенно больше, что полезно для многих промышленных приложений.

На рис. 10.9, а показан плазменный реактор с параллельными электродами, в котором используются особенности затрудненного разряда. Сравнивая распределе­ние потенциала с соответствующим распределением в нормальном тлеющем разря­де (рис. 10.9, б), видно, что в затрудненном разряде отсутствует фарадеево темное пространство, а квазинейтральная плазма существует в области отрицательного све­чения. Можно заключить, что в реакторе с затрудненным разрядом можно сфор­мировать более высокоэнергичный поток ионов на катод, что существенно при им­плантации ионов или ионном травлении поверхностей. Можно заметить, кроме

Рис. 10.9. Плазменный реактор с параллельными плоскими электродами, работающий в режиме затрудненного тлеющего разряда постоянного тока (а) и в режиме нормального тлеющего разряда (б)

Затрудненный разряд существует при условии, что L Vda При дальнейшем умень­шении длины промежутка он гаснет.

Рассмотрим теперь имеющую большое практи­ческое значение конфигурацию нормального тле­ющего разряда с полым катодом. Эта конфигура­ция возникла из идеи максимального сохранения заряженных частиц и фотонов в прикатодной обла­сти для повышения вторичной электронной эмис­сии с катода. Простейшим способом этого можно добиться, например, поместив два катода друг на­против друга и расположив анод в стороне между ними. Катоды сближают до расстояния, при ко­тором области отрицательного свечения их катод­ных слоев перекрываются. Признаком повышения плотности и энергии частиц в катодном простран­стве является появление интенсивного свечения из этой области. Такой разряд используется, в частно­сти, как световой источник с яркими спектральны­ми линиями, отвечающими соответствующему га­зу-

П д

Рис. 10.10. Плазменный источник с полым катодом; на плазму пода­но положительное смещение отно­сительно земли, величина магнит­ного поля 5 15 мТл

На практике, например в неоновых трубках, ча­ще используют катод в виде полого цилиндра с диаметром, примерно равным тол­щине катодного слоя. В более сложных устройствах полый катод могут помещать в продольное магнитное поле или снабжать термоэмиссионным источником электро-

10.3. Темный разряд

На участке ABC вольт-амперной характеристики ток в цепи может возникнуть только при наличии внешнего источника ионизации. Пусть имеется объемный источ­ник ионизации интенсивностью zat [см~^к^_ф|. Вычислим токи в промежутке и внеш­ней цепи. При расчетах будем полагать геометрию промежутка плоской. В реально-

ий к переходу в самостоятельный разряд (участок EF). Участок АЕ носит общее название темный разряд, поскольку газ при

  Геометрия классического пен- Рис. 10.12. Плазма тлеющего разряда в нинговского разряда с однородным маг- магнетроне с параллельными электро- нитным полем и электростатическим за- дами хватом электронов

нов. Во многих случаях через катодный цилиндр прокачивают рабочий газ. Плаз­менный источник на основе полого катода изображен на рис. 10.10. Плотная плазма, образующаяся в полом катоде, эмитирует электроны вдоль силовых линий слабого расходящегося магнитного поля и поддерживает разряд в цилиндрической камере. Другие конструкции полых катодов и устройства на основе разрядов с полым като­дом описаны, в частности, в монографиях [5,49].

Другим разрядом типа тлеющего является пеннинговский разряд, который в клас­сической конфигурации имеет два катода и расположенный между ними полый анод (рис. 10.11), помещенные в продольное магнитное поле ] ГI < В <, УТл. Напряже­ние на аноде обычно составляет ЦО< V^ < ОкВ. Давление газа в источнике лежит между О < р < О "~^у Тор и длина ионизационного пробега электронов значительно больше длины разряда, однако благодаря замагниченности они циркулируют в зоне разряда, отражаясь от катодов, и эффективно ионизуют разреженный газ. Благо­даря этому пеннинговский разряд горит при существенно более низких давлениях, чем другие самостоятельные разряды. Магнитное поле в источнике достаточно ве­лико, чтобы удержать ионы, поэтому на его основе работают пеннинговские ионные источники, используемые обычно в ускорительной технике.

Имеется большое разнообразие практических конфигураций пеннинговского раз­ряда. Как анод, так и катоды могут изготавливаться в виде колец, что позволяет про­качивать вдоль трубки газ или извлекать из нее ионы. Магнитное поле может быть сформировано в конфигурации ловушки с магнитными зеркалами (называемой в ис­следованиях по управляемому термоядерному синтезу "пробкотроном"). Существует вариант пеннинговского разряда, зажигаемого между двумя катодами, помещенны­ми в длинном коробчатом аноде с прямоугольным отверстием в широкой боковой стенке, через которое с помощью системы внешних электродов экстрагируется ион­ный пучок большой апертуры.

Среди других видов плазменных источников упомянем еще магнетронный плаз­менный источник. Одна из возможных конфигураций магнетронного источника по­казана на рис. 10.12. Если между параллельными пластинами приложить несколь­ко сот вольт, то формируется тлеющий разряд с плазмой отрицательного свечения, захваченной в магнитной ловушке, расположенной в кольцевой зоне над катодом между полюсами магнита. Между отрицательным свечением и анодом образуется также кольцевой положительный столб, который, однако, может быть практически

Рис. 10.11. Геометрия классического пен- нинговского разряда с однородным маг­нитным полем и электростатическим за­хватом электронов Геометрия классического пен- Рис. 10.12. Плазма тлеющего разряда в нинговского разряда с однородным маг- магнетроне с параллельными электро- нитным полем и электростатическим за- дами хватом электронов

нов. Во многих случаях через катодный цилиндр прокачивают рабочий газ. Плаз­менный источник на основе полого катода изображен на рис. 10.10. Плотная плазма, образующаяся в полом катоде, эмитирует электроны вдоль силовых линий слабого расходящегося магнитного поля и поддерживает разряд в цилиндрической камере. Другие конструкции полых катодов и устройства на основе разрядов с полым като­дом описаны, в частности, в монографиях [5,49].

Другим разрядом типа тлеющего является пеннинговский разряд, который в клас­сической конфигурации имеет два катода и расположенный между ними полый анод (рис. 10.11), помещенные в продольное магнитное поле ] ГI < В <, УТл. Напряже­ние на аноде обычно составляет ЦО< V^ < ОкВ. Давление газа в источнике лежит между О < р < О "~^у Тор и длина ионизационного пробега электронов значительно больше длины разряда, однако благодаря замагниченности они циркулируют в зоне разряда, отражаясь от катодов, и эффективно ионизуют разреженный газ. Благо­даря этому пеннинговский разряд горит при существенно более низких давлениях, чем другие самостоятельные разряды. Магнитное поле в источнике достаточно ве­лико, чтобы удержать ионы, поэтому на его основе работают пеннинговские ионные источники, используемые обычно в ускорительной технике.

Имеется большое разнообразие практических конфигураций пеннинговского раз­ряда. Как анод, так и катоды могут изготавливаться в виде колец, что позволяет про­качивать вдоль трубки газ или извлекать из нее ионы. Магнитное поле может быть сформировано в конфигурации ловушки с магнитными зеркалами (называемой в ис­следованиях по управляемому термоядерному синтезу "пробкотроном"). Существует вариант пеннинговского разряда, зажигаемого между двумя катодами, помещенны­ми в длинном коробчатом аноде с прямоугольным отверстием в широкой боковой стенке, через которое с помощью системы внешних электродов экстрагируется ион­ный пучок большой апертуры.

Среди других видов плазменных источников упомянем еще магнетронный плаз­менный источник. Одна из возможных конфигураций магнетронного источника по­казана на рис. 10.12. Если между параллельными пластинами приложить несколь­ко сот вольт, то формируется тлеющий разряд с плазмой отрицательного свечения, захваченной в магнитной ловушке, расположенной в кольцевой зоне над катодом между полюсами магнита. Между отрицательным свечением и анодом образуется также кольцевой положительный столб, который, однако, может быть практически

нов. Во многих случаях через катодный цилиндр прокачивают рабочий газ. Плаз­менный источник на основе полого катода изображен на рис. 10.10. Плотная плазма, образующаяся в полом катоде, эмитирует электроны вдоль силовых линий слабого расходящегося магнитного поля и поддерживает разряд в цилиндрической камере. Другие конструкции полых катодов и устройства на основе разрядов с полым като­дом описаны, в частности, в монографиях [5,49].

Другим разрядом типа тлеющего является пеннинговский разряд, который в клас­сической конфигурации имеет два катода и расположенный между ними полый анод (рис. 10.11), помещенные в продольное магнитное поле ] ГI < В <, УТл. Напряже­ние на аноде обычно составляет ЦО< V^ < ОкВ. Давление газа в источнике лежит между О < р < О "~^у Тор и длина ионизационного пробега электронов значительно больше длины разряда, однако благодаря замагниченности они циркулируют в зоне разряда, отражаясь от катодов, и эффективно ионизуют разреженный газ. Благо­даря этому пеннинговский разряд горит при существенно более низких давлениях, чем другие самостоятельные разряды. Магнитное поле в источнике достаточно ве­лико, чтобы удержать ионы, поэтому на его основе работают пеннинговские ионные источники, используемые обычно в ускорительной технике.

Имеется большое разнообразие практических конфигураций пеннинговского раз­ряда. Как анод, так и катоды могут изготавливаться в виде колец, что позволяет про­качивать вдоль трубки газ или извлекать из нее ионы. Магнитное поле может быть сформировано в конфигурации ловушки с магнитными зеркалами (называемой в ис­следованиях по управляемому термоядерному синтезу "пробкотроном"). Существует вариант пеннинговского разряда, зажигаемого между двумя катодами, помещенны­ми в длинном коробчатом аноде с прямоугольным отверстием в широкой боковой стенке, через которое с помощью системы внешних электродов экстрагируется ион­ный пучок большой апертуры.

Среди других видов плазменных источников упомянем еще магнетронный плаз­менный источник. Одна из возможных конфигураций магнетронного источника по­казана на рис. 10.12. Если между параллельными пластинами приложить несколь­ко сот вольт, то формируется тлеющий разряд с плазмой отрицательного свечения, захваченной в магнитной ловушке, расположенной в кольцевой зоне над катодом между полюсами магнита. Между отрицательным свечением и анодом образуется также кольцевой положительный столб, который, однако, может быть практически

Рис. 10.12. Плазма тлеющего разряда в магнетроне с параллельными электро­дами

темным. Магнитное поля достаточно слабое и удерживает только электроны. По­скольку между отрицательным свечением и катодом возникает сильное электриче­ское поле, то ионы ускоряются катодным падением в сторону катода, где помещается обрабатываемый образец.

^[1] г? тякиу углпииях:-1лрктпоны быстоо захватываются атомами (молекулами) газа и большая

Дата добавления: 2014-01-20