Основные виды газовых разрядов применяемых в источниках и генераторах плазмы, их особенности, страница 3

В диапазоне давлений от сотен атмосфер до сколь угодно низких может существовать другой разряд с ТА-расходуемым катодом (U =10…30 В, I = 10¹…10⁴ А). При этом температура катода недостаточна для заметной термоэмиссии (например, на охлаждаемых катодах) и разряд горит в виде хаотически перемещающихся по холодной поверхности электрода «горячих» микропятен с j_k~ 10⁵…10⁶А/см², в которых протекают локальные процессы интенсивной генерации (испарения). В микропятнах разряд фактически развивается в продуктах генерации, а в плазме столба токоперенос может осуществляться в рабочем газе. В предельном случае при р → 0 такой разряд переходит в вакуумную дугу.

В отличие от газовых, в вакуумных разрядах не требуется специальная подача рабочего вещества; среда, необходимая для существования разряда, возникает вследствие разрушения электродов (самогенерация), и механизм эмиссионных процессов автоматически оказывается тесно связанным с характером процессов генерации. Поэтому существование различных типов вакуумных разрядов прежде всего обусловлено принципиально различным протеканием самосогласованных процессов генерации вещества и эмиссии электронов с катода.

Вакуумной дугой (ВД) обычно называют низковольтный сильноточный разряд, горящий в глубоком вакууме (р ≤10^-5 мм рт. ст.). в парах материала катода, эродирующего в микропятнах. Разряд в основном изучен в диапазоне малых времен горения — от 10^-7 до 1 с. Стационарные ВД реализуются на принудительно охлаждаемых катодах из любых проводящих материалов. При этом средний по поверхности электрода поток мощности

                                                                         (2.6-7.2)

(где F_k — площадь рабочей поверхности катода; k_k — коэффициент, составляющий 0.2…0.4) отводится теплопроводностью при установлении на поверхности катода такой средней температуры, при которой процессы испарения и эмиссии электронов несущественны.

На катоде разряд горит в «горячих» микропятнах с j_k~ 10⁵…10⁶А/см² (ТА-катод), где осуществляется генерация материала катода при взаимодействии с электродом низковольтного ионного пучка с плотностью тока, соизмеримой с j_k, и ускоренного в приэлектродном слое до энергий масштаба десятка эВ. Под действием пучка происходит локальный процесс испарения материала катода, при этом часть продуктов испарения возвращается в виде ионного пучка на катод (поддерживая процессы генерации и эмиссии электронов), а остальная их доля поступает в объем системы, формируя плазму с концентрацией n ~ 10¹¹…10¹² см^-3, составляющую эффективный продукт генерации.

Еще одна форма стационарной ВД — дуга с распределенным разрядом на горячем расходуемом катоде — реализуется, когда поток мощности q_k достаточен для установления на поверхности катода высокой температуры T_k (как правило, более 10³ К), необходимой для поддержания интенсивных процессов как генерации вещества, так и эмиссии электронов. В простейшем случае разряд существует на теплоизолированных катодах при условии, что средняя плотность тока на катоде j_k = I/F_k превышает некоторую критическую величину /*, являющуюся функцией теплофизических характеристик материала катода (для различных материалов /* ~ 10…100 А/см²). В течение некоторого промежутка времени после зажигания (при j_k > /*) разряд на первоначально холодном катоде развивается в микропятнах. По мере прогрева катода на его поверхности достигается средняя температура, при которой давление насыщенных паров материала превышает величину критического давления р*, необходимого для существования распределенного разряда. При этом микропятна пропадают, исчезают характерные для обычной ВД колебания тока и напряжения, и разряд оказывается распределенным по поверхности катода с низкой плотностью тока (~10¹…10² А/см²). Измерения показывают, что практически все напряжение на разряде, которое оказывается существенно ниже, чем в обычной ВД, составляет катодный скачок потенциала (U≈U_k), а анодное падение U_а близко к нулю.