тлеещ разряд

Тлеещ разряд - електрически разряд в газ, характеризиращ се с термодинамика. неравновесие и квазинеутралност на възникващата плазма. Еф. температурата на електроните в тлеещ разряд е значително по-висока от температурата на газа и електродите, от които липсва топлинна емисия. Тлеещите разряди се разделят на 2 класа: самоподдържащи се и несамостоятелни (с външен йонизатор). Всеки от тези разряди е разделен на видове в зависимост от вида на електрическия източник. захранване: импулсно, стационарно, променлив ток. Всеки тип тлеещ разряд може да гори в газ в покой и в газов поток. Независимите разряди се различават по геометрия: плоски и цилиндрични.

Наиб. Подробно е изследван тлеещият разряд, изгарящ в стъклени тръби, който се използва широко в техниката: флуоресцентни лампи, разкл. осветяват. устройства, газови лазери малки и вж. мощност. Тлеещ разряд, изгарящ между плоски електроди, се използва в тиратрони и импулсни лазери, тлеещ разряд, изгарящ в газов поток, се използва в плазмената химия. реактори и за изпомпване на активната среда на мощни непрекъснати и импулсно-периодични. газови лазери.

Общи свойства на тлеещия разряд

Тлеещият разряд получи името си поради наличието на един от електродите (катода) на т.нар. тлеещо сияние (TC, фиг. 1). Това сияние се дължи на голям спад в потенциала в тесен слой пространствен заряд близо до катода. В близост до анода също има тънък слой пространствен заряд, т.нар. аноден слой (AC). Останалата част от междуелектродната междина е заета от квазинеутрална плазма. Областта на тъмното пространство на Фарадей (FTS) граничи със зоната TC, превръщайки се в положителна колона (PS), която е независима. част от изхвърлянето, независимо от другите слоеве на изхвърлянето.

Ориз. 1. Поява и разпределение на напрежениетоелектрическо поле в тлеещ разряд в тръба: 1 - катоден слой; 2-тлеещ блясък; 3-фарадеево тъмно пространство; 4 - положителна колона; 5 - аноден слой.

Дебелината на катодния слой (CS) и неговите характерни времена са много малки, така че е макс. автономен и свойствата му са общи за повечето видове тлеещи разряди. Наличието на голям потенциален скок в CC на стационарен тлеещ разряд (200–400 V) се дължи на факта, че полето в CC трябва да осигури интензивна йонизация и усилване на йонните и електронните токове. Ширината на COP d е равна на няколко. дължини на електронна йонизация на атоми или молекули газ. Ако вж. Ако плътността на тока на катода е по-малка от стойността на нормалната плътност на тока jn, тогава TC покрива само част от катода. С увеличаване на тока площта, заета от тока, се увеличава пропорционално на тока, а напрежението върху COP е постоянно и равно на нормалния катоден спад. Това е важно свойство на тлеещия разряд, наречен. законът за нормалната плътност на тока. Хидродинамичен моделът (Engel - Steenbeck) на CS, хомогенен по протежение на катода, постулира, че стойностите Un и jn са равни на min. напрежение и съответната теоретична плътност на тока. характеристика ток-напрежение (BAX). Този модел правилно описва законите на подобие, наблюдавани експериментално: jн/p 2 , pdн, Un зависят само от вида на газа и катодния материал. Въпреки това, количества. Съвпадението между теория и експеримент е по-скоро случайно. Постулатът на Енгел-Стийнбек и законът за нормалната плътност на тока са потвърдени в рамките на двумерната нестационарна хидродинамика. уравнения, решени с числени методи (фиг. 2).

Ориз. 2. Разпределение на плътността на тока на катода в тлеещ разряд в азот (изчисление) при налягане p = 5 Torr, междуелектродно разстояние 1 cm; a - при ток I=0,75 mA, b - при I=1,5 mA.

Подобенна анода на тлеещия разряд се случват явления. Електроните, напускащи PS плазмата, се ускоряват при скока на AC потенциала и, точно както близо до катода, произвеждат йонизация на газа. Тук обаче йонизацията не е толкова силна, но е необходима, тъй като няма излъчване на йони от студения анод. При стационарен тлеещ разряд законът за нормалната плътност на тока се проявява в газ в покой, при липса на газов поток. Хидродинамичен модел на плосък аноден слой с отчитане на кинетич. ефекти, обяснява законите на подобието: jн/p 2 , Un зависят само от вида на газа. Нестабилността на плосък АС има теоретична обяснение от гледна точка на хидродинамиката. ur-tion, в това приближение структурата на стационарно анодно петно се определя от дифузията на електрони.

Свойствата на други области на тлеещ разряд (TC, FTP и PS) зависят доста силно от вида на разряда. Нека да разгледаме класическия пример. тип тлеещ разряд - разряд в тръба с електроди в краищата.

Тлеещ разряд постоянен ток в тръбата

Тъй като дебелината на CS е от порядъка на йонизационната дължина, част от електроните, ускорени от скока на катодния потенциал, получават енергия, равна на този потенциал. В резултат на интензивна йонизация на газа от този електронен лъч, в областта на TC се образува светещ плазмен слой с висока плътност. Стойността на електрическата полето е близо до нула. Докато човек се движи от областта TC към анода, плътността на плазмата намалява поради рекомбинация и амбиполярна дифузия, електрическа. полето нараства, но все още е недостатъчно за йонизация и възбуждане на атомите (FTP област). Освен това, в областта на PS електрически. полето достига стойност, при която йонизацията от електрони, придобиващи енергия в това поле, става значителна. За електрически поле в PS е валиден законът за подобие E/p=f(pR), който следва от равенството на скоростите на йонизация и загубите, дължащи се наамбиполярна дифузия към стените (теория на Шотки). BAX PS не зависи от тока, плътността на плазмата е пропорционална на плътността на тока. За молекулярните газове с увеличаване на тока е необходимо да се вземат предвид процесите на обемна рекомбинация, които водят до леко повишаване на напрежението на PS; с по-нататъшно увеличаване на тока газът се нагрява (за молекулярни газове). В атомните газове, когато токът се увеличава, газът първо се нагрява, плътността му намалява и в резултат на това напрежението в PS намалява. BAX докато пада.

Електроните в PS са термодинамично неравновесни. Техният еф. temp-pa значително надвишава температурата на атомите и молекулите и е 2-3 eV. Това обстоятелство и хомогенността на E/p в дългите тръби се използват за създаване на обратна популация от атоми и молекули в газовите лазери.

Плосък независим тлеещ разряд

Практическата необходимост от поддържане на тлеещ разряд в големи обеми доведе до прилагането на плоски разряди, където разстоянията между страничните стени надвишават междуелектродното разстояние L. Плоският разряд се използва при средно (10-100 torr) и високо (> 100 torr) налягане. Плоският тлеещ разряд запазва всички основни особености на тлеещ разряд в тръбата, обаче FTC областта се определя от баланса на амбиполярните дрейфови процеси и рекомбинация, а загубите, дължащи се на дифузия към страничните стени, са незначителни. Тъй като характерният размер на FCC Lf в този случай не зависи от налягането на газа, тлеещият разряд се оказва значително нехомогенен дори при ср. натиск. Например за азот Lf [cm] = 0,1/j [A·cm -2]. Волт-амперна характеристика на нарастване на FTP:

При високотокови разряди под високо налягане всички нехомогенни области на CS, AC и FTP са малки. При средно и високо налягане нормалната плътност на тока на катода значително надвишава плътносттаток, използван в практиката. За да се избегне свиване на тока върху катода (виж. Свиване на газовия разряд) и последващото образуване на дъга, катодът се разделя на секции, изкуствено разпределяйки тока средно равномерно върху катода (фиг. 3, а). Такъв катод е набор от щифтове, свързани чрез съпротивления към обща шина. Тъй като токът, протичащ към един щифт, се увеличава, напрежението върху него пада, което води до ограничение на тока. Контракцията може да се избегне и чрез поддържане на отделянето за кратко време (

1 μs), така че нестабилността няма време да се развие, т.е. с помощта на специални. системите за захранване прилагат импулсен тлеещ разряд. В този случай обаче е необходимо да се вземат специални мерки за хомогенно разграждане на газа, тъй като Поради стримерния характер на разпадането, разрядът, заобикаляйки фазата на светене, преминава в дъга. Електродите могат да бъдат твърди, но в близост до катода или в обема се създава предварителна йонизация с помощта на спомагателен елемент. електрод, поставен близо до катода или извън разрядната междина. При подаване на напрежение първо възникват разряди между катода и спомагателния. електрод - образува се плазмен катод, след което се развива импулсен светещ разряд в основната разрядна междина (фиг. 3, b). Хомогенност на квазистационарни и импулсни разряди от секционери. катоди зависи от разстоянието между щифтовете. За стабилизиране на тлеещия разряд се използват и комбинатори. тлеещ разряд и разряд с променлив ток.

Ориз. 3. Схеми на възбуждане на независим тлеещ разряд: а - импулсен, квазистационарен и стационарен разряд в газов поток, 1-анод, 2-щифтове или тесни пластини за разряд в газов поток, Rb-баластни съпротивления; b- импулс: 1-катодна плоча, 2 - анод,3-капацитет на спомагателния разряд; в - капацитивен саморазряд: 1 - диелектрични плочи, 2 - електроди.

Комбиниран тлеещ разряд и променлив ток

Въпреки че технически тези видове разряди се различават значително, те имат общ механизъм на протичане на ток. И при двата разряда токът протича през рекомбиниращата плазма; йонизацията се извършва за кратък период от време периодично с честота, по-голяма от обратното време на рекомбинация. В т.нар. комбинирани разряд, йонизацията възниква, когато се подаде спомагателно устройство. импулси на високо напрежение на щифтовете. Основен разрядът се поддържа между катода и анода от източник на постоянен ток. волтаж. Тъй като плътността на плазмата не зависи от поста. напрежение, такъв разряд в интервала между импулсите е несамостоятелен. T. o., комбиниран. тлеещият разряд се състои от 2 разряда: независими и несамостоятелни.

При разряд с променлив ток йонизацията настъпва по време на макс. напрежение през разрядната междина, през останалото време такъв тлеещ разряд също е несамостоятелен. Характерна особеност на такъв разряд е лекотата на изпълнение на разделяне на катода: той е покрит с изолационен слой с голям диелектрик. пропускливост (фиг. 3, в), която е реактивното баластово съпротивление. Използването на такъв баласт значително повишава ефективността на изхвърлянето в сравнение с последващото изхвърляне. ток с активно съпротивление (фиг. 3, а). Механизмът на протичане на ток в променливотоков тлеещ разряд по същество зависи от честотата на източника на енергия и плазмената проводимост s. При ниски честоти (10-100 kHz), когато w/4ps>gt; 1 и затварянето на тока на COP и AC се извършва от токове на отклонение, няма нужда от интензивна йонизация, BAX в близост до електродите са положителни. диференциалустойчивост и тези слоеве имат стабилизиращ ефект върху разряда.

Несамостоятелен тлеещ разряд

Несамостоятелният светещ разряд се различава от независимия по това, че неговата проводимост се поддържа с помощта на външен. йонизатор (фиг. 4). Следователно най-важната характеристика на T. p. E/p може да се контролира в широк диапазон и независимо от тока. Несамостоятелният T. R. е широко разпространен, поддържан от лъч от бързи електрони (

200 keV). Колкото по-висок е токът на лъча, толкова по-висока е концентрацията на разрядната плазма. Структурата на несамостоятелния тлеещ разряд е подобна на структурата на самостоятелния тлеещ разряд. На КС вътр. йонизация на създанията. няма ефект, тъй като ударната йонизация надвишава външната. Този слой може да се свие, както при независим. светещ разряд. Тук обаче естеството на свиването е различно. Разрядът на катода се разпада на много точки (фиг. 5). Тъй като PS на несамостоятелен тлеещ разряд има голям положителен ефект. диференциал устойчивост, има стабилизиращ ефект върху COP и предотвратява сливането на петна. Като в независими. разряд, свиването на катода не се получава при използване на импулси с кратка продължителност ( 6 cm / s) и значително променя някои характеристики на PS на тлеещия разряд: и т.н.

Според вътр. пластове са сходни с проявата на доменна нестабилност, но имат различен характер и се обясняват с действието на разлож. йонизационни усилващи механизми, например. поради поетапна йонизация и електрон-електронни сблъсъци.