Тлеющий разряд с полым катодом при малом разрядном токе, страница 5

3.3.  Экспериментальное исследование характеристик тлеющего

разряда с цилиндрическим полым катодом.

В экспериментах использовался тлеющий разряд с цилиндрическим полым катодом, выполненным из нержавеющей стали, и плоским анодом, расположенным на расстоянии 3 мм от выходного катодного отверстия. Исследовалась формирующаяся в  катодной  полости система, состоящая из плазмы и слоя пространственного  ионного заряда, образующего область катодного  падения  потенциала. В ходе эксперимента измерялось продольное распределение  тока по катоду, который для этой цели собирался из изолированных  друг от друга цилиндрических секций длиной 2 см. Положение  границы плазма-слой оценивалось с помощью введенного в одну из  секций одиночного зонда, который можно было перемещать  в  радиальном направлении. Величина  r₀ определялась по  положению  зонда, в котором происходило резкое изменение наклона  зависимости  потенциала зонда j_p от радиуса, т.е. вторая производная j_p''(r) достигала максимума.  Использовались катоды с
          

Рис 3.4. Воздух, N_s=12, R=16.5 мм, I_d(мА) : 1 - 11, 2 - 9, 3 - 7.

Рис. 3.5. Аргон, N_s =15, R=16.5 mm, I_d(мА) : 1 - 20, 2 - 14, 3 - 10.

Рис. 3.6. Азот, N_s =10, R=14 мм, I_d (мА): 1 -12, 2 - 8, 3 - 5, 4 - 4.

Рис. 3.7. Воздух, N_s=18, R=16.5 мм,

I_d (мА) = 1 - 24, 2 - 18, 3 - 14, 4 –10

различным    радиусом     (R = 14,  16.5,  21 мм)    и   различным   числом  секций (N_s=10-20). B  качестве рабочего газа применялись аргон, азот и воздух.  Давление газа изменялось в диапазоне 1-10 Па.

На рис.3.4.-3.7 показаны распределения тока по катоду  I_n(n)  для различных токов разряда,  где  I_n -  ток на  n -ую секцию,  n=1,3...N_s - порядковый номер секции, считая от анода. При токе разряда больше  некоторого  I_d1, зависящего от рода газа и величин  p,N_s,R  в разряде участвуют все секции и с убыванием I_d происходит   yменьшение тока на каждую из секций, а также  сокращение  радиуса  плазмы (см.рис.3.8).

При дальнейшем уменьшении  I_d ( I_d <I_d1 ) ток на дальние от анода секции падал до нуля, однако в области где продолжалось горение разряда значения  I_n (за исключением крайних секций) не опускалось ниже некоторой минимальной величины  I_m  . При  I_n=I_m значение r₀   также достигало некоторой минимальной величины r_m. Отношения  r_m / R, полученные в различных  экспериментах, составляют величину ~ 0,25, что удовлетворительно согласуется с расчетными значениями x_m (в исследованном диапазоне давлений x_m = 0.28 - 0.30).

Учитывая полученное совпадение, можно дать следующее объяснение наблюдаемого эффекта сокращения поверхности катода, участвующей в разряде. При I_d <I_d1  реализация стационарного режима горения разряда с участием всех секций невозможна, т.к. происходящее с убыванием I_d  уменьшение радиуса плазмы приводит к тому, что состояние системы плазма-слой становится  неустойчивым. В результате происходит

Рис. 3.8. Зависимость радиса границы плазмы от тока на секцию. Аргон, R= 16.5 мм.

сокращение протяженности плазменного столба, которое идет до тех пор, пока не установится стационарное состояние, отвечающее условию устойчивости x >x_m.

Уменьшение числа секций, участвующих в разряде, можно также наблюдать при поддержании постоянного тока разряда и  снижении давления при р меньше некоторого , зависящего от рода газа и размеров катода (см. рис. 3.9).  Этот эффект также можно объяснить на основании рассмотренной модели если учесть то, что с уменьшением давления растет пропускная способность промежутка между границей плазмы и электродом. При поддержании постоянного тока этот рост компенсируется увеличением протяженности слоя и, соответственно, уменьшением r₀. В результате  состояние  системы  плазма-слой  становится  неустойчивым и происходит  сокращение  продольного размера плазменного столба. Соответственно уменьшается поверхность  катода, участвующая в разряде.  Сокращение поверхности идет вплоть до давления погасания разряда.