Основные виды газовых разрядов применяемых в источниках и генераторах плазмы, их особенности, страница 2

Известно несколько основных видов или форм разряда на постоянном токе. Прежде всего, это темный или Таунсендовский разряд, для которого характерно электрическое поле, не искаженное объемным зарядом. Это разновидность самостоятельного тока в газе, протекающего в однородном или слабооднородном электрическом поле. Плотность тока в разряде настолько мала, что он не сопровождается заметным свечением (потому и назван темным). По причине малой плотности тока ничтожно мал и объемный заряд. Понятно, что при большой плотности нейтральных атомов он не сможет существовать и либо погаснет, либо перейдет в другую форму с большей плотностью тока.

Второй вид самостоятельного разряда в электрическом поле с малым пространственным зарядом это так называемый коронный разряд или корона. Этот разряд реализуется в сильно неоднородном поле электрода большой кривизны (острие). Поэтому хотя пространственный заряд заметно больше, чем у Таунсендовского разряда, исказить это поле заметно он не может. Реализуется разряд, в основном, при достаточно высоком давлении порядка сотен торр. Оба вышеуказанных вида разряда относительно мало используются в газоразрядных приборах. В противовес им, наиболее широко, из разрядов на постоянном токе, используются тлеющий и дуговой разряды. Это разряды, в которых  электрическое поле сильно искажено пространственным зарядом. Наибольшая напряженность поля достигается в ограниченной области у катода. Характерный размер области . Так называемое прикатодное падение потенциала, т.е. разность потенциала на границах области  определяется как

                                             (2.6-7.1.)

Два вышеуказанных разряда отличаются величиной . Если сравнить  с величиной ионизационного потенциала газа (вернее с разностью потенциалов) , то для тлеющего разряда характерно соотношение , а для дуги . Это различие определяется различием процессов на катоде (прежде всего эмиссией) и различием в поперечной неоднородности тока по разряду.

В газовых разрядах необходимая для существования разряда рабочая среда (пар или газ) определенной концентрации (давления) заполняет рабочий объем либо подается в зону разряда. При этом в зависимости от уровня давления и от действующего механизма эмиссии электронов с катода могут быть реализованы различные типы разрядов. Обычно газовые разряды классифицируют по механизму эмиссии электронов с катода, разделяя их на тлеющие (высоковольтные), в которых эмиссия обусловлена протеканием процессов вторичной электронной эмиссии, и дуговые (низковольтные) с термоэмиссионным (Т) нерасходуемым катодом или с термо-автоэмиссионным (ТА) расходуемым катодом.

Тлеющие разряды реализуются в диапазоне давлений от 10¹...10² до 10^-2…10^-3 мм рт. ст. на катодах с низкой рабочей температурой (обычно T_k < 10³ К). В таких слаботочных (I ≤ 1…10 А) и высоковольтных (U = 10²…10⁴ В) разрядах ток на катоде является распределенным с низкой плотностью (j_k < 0.1 А/см²). Катоды подвергаются интенсивному ионному распылению, однако по существующим представлениям распыленные атомы не принимают сколько-нибудь заметного участия в определяющих разряд процессах.

Дуговые разряды с нерасходуемым Т-катодом (U= 10…50 В, I =10¹…10⁴ А) существуют в диапазоне давлений от сотен атмосфер до единиц мм рт. ст. Термокатод работает в режиме распределенного разряда при j_k ~ 10¹…10³ А/см², T_k = (1…4)10³ К и практически не разрушается. При уменьшении давления среды ниже критической величины р* (обычно р* ~ 1…10 мм рт. ст.) поток мощности, приносимой ионами на катод, уже не может обеспечить энергетически поддержание самостоятельного режима термоэмиссии и происходит переход к дуге с ТА-расходуемым катодом. Если же катод нагревать с помощью посторонних источников, то разряд с Т-катодом может существовать и при более низких давлениях.