Физические процессы в плазме. Приэлектродные процессы в газовых разрядах

Явление протекания электрического тока в газовом промежутке называется газовым разрядом.

Газовый разряд – совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счет столкновений электронов, ускорившихся в электрическом поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.

Получение плазмы и ее поддержание часто связаны с различного вида электрическими разрядами. Обычно под электрическим разрядом понимается процесс, связанный с протеканием электрического тока через среду и изменением свойств этой среды под действием тока.

Сложность изучения электрических разрядов связана с их большим разнообразием. Разряды могут отличаться и внешними характеристиками: формой, характером свечения, временем существования и внутренними свойствами: видом вольт-амперной характеристики, наличием (Т_е ~ Т_i ~ Т_а) или отсутствием (Т_е >> Т_i ~ Т_а) локального термического равновесия между отдельными компонентами плазмы, равномерным или неравномерным распределением плотности тока. Даже в самом разряде его свойства вблизи электродов могут сильно отличаться от свойств в объеме. Рассмотрим лишь достаточно общие характеристики наиболее часто применяемых в вакуумно-плазменной технологии разрядов, горящих в постоянном электрическом поле, термически неравновесные разряд низкого давления (Т_е >> Т_i ~ Т_а).

По способу поддержания разряды можно разделить на две группы: самостоятельные и несамостоятельные разряды.

К несамостоятельным газовым разрядом относятся такие разряды, для существования которых необходимо создавать переносчики тока (заряженные частицы)с помощью постороннего источника. Этими устройствами могут быть различные аппараты, в том числе излучающие кванты или другие частицы, способные вызывать эмиссию с электродов или ионизировать газ в разрядном промежутке (излучение, кванты, быстрые электроны, протоны, вспомогательное внешнее переменное электрическое поле).

Самостоятельными называются газовые разряды, в которых необходимая для поддержания разряда концентрация носителей (электронов и ионов) создается за счет процессов, происходящих в самом разряде. К самостоятельным газовым разрядам относится тлеющий (нормальный и аномальный) и дуговой разряды.

По способу ионизации все разряды можно разделить на свободно горящие и разряды, создаваемые в камерах, в которых размещаются катод и анод. Оценим характерные размера области прикатодного слоя, в которой нарушение электронейтральности существенно, пользуясь уравнением Пуассона

div D = e₀×div E = e₀×Ñj = r _e = e (n_i – n_e), (6.1)

гдеE- напряженность электрического поля;e₀×- диэлектрическая постоянная;j - потенциал;r - плотность; n_i, n_e– концентрация ионов и электронов.

Считая, что электроны и ионы в потенциальном электрическом поле распределены по закону Больцмана получим

, (6.2)

, (6.3)

где T_e, T_i – температура электронов и ионов; k–постоянная Больцмана.

Пусть энергия электростатического взаимодействия мала по сравнению с тепловой

e j< kТ, (6.4)

Тогда для характерного размера области нарушения электронейтральности (r_D) из соображений размерности получаем следующую по порядку величин оценку:

Ñj~j/ r_D² ~r _e /e_o ~ (– en _o/e_o) (e ^{-lj/ kT} – e ^{lj/ kT} ), (6.5)

откуда

j/ r_D² = 2 e ² n _oj/e_o kT,, (6.6)

и тогда

, (6.7)

Характерный размер области нарушения электронейтральности носит название радиуса Дебая. Учет различия в температурах электронов и ионов, а также кратности зарядов ионов Z_i приводят к следующему уточненному выражению для радиуса Дебая

, (6.8)

Для большинства электрических разрядов в разреженных газах отношение радиуса Дебая к характерному размеру системы, в которой находится плазма, например, расстояние между испаряемым катодом и подложкой (L) мало

, (6.9)

Поэтому плазму, за исключением тонких пристеночных слоев, можно считать электронейтральной.

В электрическом поле образованные в результате ионизации электроны и ионы движутся естественно к аноду и катоду разрядной системы и при столкновении вызывают новые акты ионизации. В поддержании разряда существенную роль играют процессы на электродах: вторичная электронная эмиссия на аноде и электронная эмиссия при бомбардировке катода ионами.

Наибольший интерес представляет тлеющий и дуговой разряды. Они характеризуются сильным искажением электрического поля объемным зарядом. Эти разряды различают по величине катодного падения потенциала U _к. Если U _к>> V_i – тлеющий, U _к£ V_i дуговой разряд.

В наиболее распространенном случае плазма состоит всегда из электронов и положительно заряженных ионов. В плазме могут присутствовать также нейтральные атомы: если их доля значительна, плазма называется частично (или не полностью) ионизованной.

Степень ионизации плазмы – это количественная харак­теристика, определяющая соотношение в плазме заряженных и ней­тральных частиц.

Под степенью ионизации b понимают отношение концентрации заряженных частиц (n_e, n_i) одного знака (ионов или электронов) к исходной концентрации частиц n _S число нейтральных молекул или ато­мов газа до его ионизации

, (6.10)

где е – индекс электронов;

i –индекс ионов.

Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов (прежде всего от температуры). Для низкотемпературной плазмы ее значение может меняться в широких пределах 0...100 %.

Плазма классифицируется по таким параметрам, как давление, концентрация заряженных частиц, температура, а так же по граничным условиям и наличию внешних электрических и магнитных полей.

Таблица 6.1

Параметры различных плазменных образований

Тип разряда	Р, Па	I, A	U, B	Р уд, Вт/см^2	ne,см^-3	l, см	Тe, эВ	Т Г, К
Тлеющий разряд	10^-1	10^-2÷1	10^2÷10^4	10^-1	10^11	10^-2÷1		10÷10^2
Дуговой разряд	10^-110^4	10^2÷10^4	10÷30	10^2	10^15	10^-4	0,5÷1	10^3÷10^5

Плазма в целом является электрически нейтральной.

Используя понятие дебаевской длины, можно дать точное определение плазмы.

Плазма представляет собой совокупность заряженных и нейтральных частиц, в которой соблюдаются следующие условия:

1) условие квазинейтральности

, (6.11)

2) дебаевский радиус экранирования много меньше характерных размеров области, занимаемой этой совокупностью

, (6.12)

В плазменных устройствах, применяемых в технологических целях в вакууме, величина l _D определяется значениями 10^–4...10^–5м.

Температура плазмы является ее важнейшей характеристикой и в плазмотронах она может достигать (2...5)·10⁴ К. В ряде случаев плазму можно рассматривать как идеальный газ, так как при высоких температурах концентрация частиц в плазме, несмотря на сравнительно высокие давления, мала и для нее можно считать справедливыми уравнения идеального газа, в том числе основной закон газового состояния

, (6.13)

где р – давление газа, Па;

V – объем, м³;

Т – температура, К;

R = 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.

Для плазмы это уравнение удобнее представить в следующей форме

, (6.14)

где n = n_e + n_i + n ₀– суммарная концентрация заряженных и нейт­ральных частиц в плазме;

N = 6,02-10²³ моль^–1– число Авогадро.

При рассмотрении плазмы как совокупности заряженных частиц различных знаков (электронов и положительно заряженных ионов) вводят понятия электронной Т_е и ионной Т_i температур. Такой подход позволяет более детально рассмотреть энергию отдельных частиц, составляющих плазму.

Характерным отличием плазмы газового разряда от термической равновесной плазмы является то, что у электронов, ионов и нейтральных атомов средняя кинетическая энергия различна, причем W_e ≥ W_i ≥ W_A. Средняя величина кинетической энергии определяется соотношением

, (6.15)

где k = 1,38·10^–16 эрг/град – постоянная Больцмана.

Различаются три разные температуры: электронная Т_е, ионная T_i и атомная T_А.

Дата добавления: 2017-02-01