Анализ движения заряженных частиц в разрядах с осциллирующими электронами

Глава 1

анализ движения заряженных частиц в разрядах с осциллирующими электронами.

Введение

После обнаружения ”эффекта полого катода” [71] во многих работах  исследовались причины его возникновения [72-75]. При этом большинство авторов основное внимание обращали на механизм эмиссии электронов из катода. В результате выяснилось, что при низких давлениях основным является механизм ион-электронной эмиссии. Вклад фотоэлектронной эмиссии, по - видимому, может быть существенным при повышенных давлениях. Однако, как было показано в работе [15], выполненной В. М. Ткаченко и его сотрудниками, спор о механизме эмиссии не являлся принципиальным, а отличия разряда с полым катодом от линейного определяются характером движения заряженных частиц в полости. В этой работе были проведены измерения характеристик разряда с полым катодом для различных сочетаний род газа - материал катода и оказалось, что характерные точки зависимостей разрядного напряжения от давления определяются родом газа и геометрией полости, но не материалом катода, который влиял лишь на величину напряжения горения.

Результаты работ [76,77] показывают, что наряду с групппой медленных плазменных электронов, распределение которых близко к Максвелловскому, в тлеющих разрядах с осциллирующими электронами имеется группа так называемых быстрых частиц. Эти частицы возникают в результате g - процессов на катоде и ускоряясь в катодном слое приобретают энергию, соответствующую величине катодного падения потенциала, которую затем растрачивают в упругих и неупругих столкновениях с атомами или молекулами газа. Кроме того дополнительно быстрые частицы могут возникнуть в результате того, что g - электроны, совершающие осцилляционное движение, периодически попадают в прикатодный слой и с некоторой вероятностью часть ионизаций производят в нем. Возникшие в катодном слое электроны также ускоряются до значительных энергий, хотя и несколько меньших, чем g - электроны, и также могут внести определенный вклад в процесс ионизации [78].

Поскольку коэффициент g мал, то доля быстрых частиц невелика, порядка нескольких процентов, но именно их вклад в ионизацию является основным, в то время как вклад вторичных плазменных электронов, возникших в результате ионизации в области плазмы быстрыми частицами, не является существенным, так как они не получают от слабого электрического поля, существующего в плазме, достаточной энергии.

В качестве физического обоснования разделения электронов на две группы можно указать на то обстоятельство, что транспортное сечение кулоновского взаимодействия резко уменьшается с увеличением энергии. Расчеты по приведенной в [79] оценочной формуле дают величину 4×10^-14 см² для электронов с тепловой энергией 5 эВ, характерной для плазменных электронов в рассматриваемых разрядах, и 4×10^-18 см² для электронов с энергией 500 эВ, характерной для быстрых частиц. В то же время для большинства газов сечения различных видов взаимодействия между электронами и атомами по порядку величины составляют 10^-16 см² [80]. Из приведенных цифр видно, что медленные частицы достаточно интенсивно взаимодействуют между собой, что, по-видимому, и обуславливает возникновение близкого к Максвелловскому распределения в области малых энергий, в то время как для быстрых частиц даже при довольно высокой степени ионизации газа основным остается взаимодействие с нейтральными частицами.

Следует отметить, что при повышенном токе разряда время релаксации быстрых электронов существенно уменьшается, что не может быть объяснено исходя из представлений о их релаксации за счет столкновений с нейтральными частицами [81]. Возможно при больших токах релаксация идет за счет коллективных эффектов, характерных для пучково-плазменных разрядов, на что обращалось внимание в [75]. В настоящей работе эти эффекты рассматриваться не будут.

Выполнение условия самостоятельности является необходимым, но не достаточным для реализации сильноточной формы разряда. Необходимо также чтобы в большей части промежутка существовала квазинейтральная плазма, а в прикатодной области преобладал положительный заряд. В связи с этим было бы ошибкой считать, что  движение медленных плазменных электронов, образующихся при ионизации газа быстрыми частицами, является чем-то второстепенным. Хотя их вклад в ионизацию мал, но число этих частиц существенно больше чем быстрых. Соответственно, именно этими медленными частицами определяется отрицательный заряд в системе и необходимо выявление условий при которых концентрация медленных электронов почти во всем промежутке равнялась бы концентрации ионов. Таким образом анализ режима  движения медленных частиц также является важным моментом при изучении характеристик рассматриваемых разрядов.