Основные виды газовых разрядов применяемых в источниках и генераторах плазмы, их особенности, страница 5

При токах, превышающих 10-2…10-1 А, возникает аномальный тлеющий разряд с возрастающей вольтамперной характеристикой. При еще больших токах наблюдается переход от тлеющего разряда к дуге с падающей вольтамперной характеристикой. Аномальный тлеющий разряд занимает всю поверхность катода, и поэтому при увеличении силы тока плотность тока также возрастает.

Характерная структура нормального тлеющего разряда показана на рисунке 2.6-7.3. На этом же рисунке приведено распределение по длине разряда интенсивности свечения I, потенциала φ, напряженности поля Е и плотностей зарядов и токов положительных ионов и электронов ρр и ρе, jр и je. К катоду примыкают катодные части разряда, затем следует положительный столб, вблизи анода расположена сравнительно короткая анодная область.

Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, происходят в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих частей. При изменении положения катода в пространстве катодные части перемещаются вместе с ним, не изменяя своей структуры. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если при существующем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.

В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной неизотермической плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной.

Аномальный тлеющий разряд характеризуется возрастающей ВАХ связанной с ростом плотности тока на катоде при росте приложенного к разрядному промежутку напряжения. При дальнейшем росте тока аномальный тлеющий разряд переходит в дуговой с падающей ВАХ.

Как известно основные особенности тлеющего разряда определяются именно прикатодной его областью, где в основном падает напряжение и происходят многие процессы определяющие вид ВАХ разряда, что связывает с распределением потенциала на этом участке разрядного промежутка, где в основном и происходят процессы обеспечивающие самостоятельность разряда, в том числе и процессы связанные с бомбардировкой катода ускоренными ионами, что в конечном итоге и определяет переход тлеющего разряда в дуговой. Падение напряжения в столбе разряда, который представляет собой неизотермическую газоразрядную плазму, сравнительно невелико, что связано с высокой концентрацией в этой области зарядов обоих знаков. Характерно, что стенки ограничивающие область разряда, если они имеются, играют малую роль в прикатодной области с ее направленным движением зарядов и наоборот существенны в месте контакта с анодным столбом, где преобладает хаотическое движение частиц. При изменении расстояния между электродами (его уменьшении) существенные изменения наступают только при приближении анода и катода на расстояние равным lк. При дальнейшем приближении разряд либо гаснет, либо требует для своего поддержания более высокого напряжения.

Из теории прикатодной области тлеющего разряда может быть получено условие его стационарности, а значит в определенной степени и стабильности выходных параметров источника плазмы. Это условие имеет вид:

,                                (2.6-7.3.)

где α – коэффициент ударной ионизации газа электронами (первый коэффициент Таунсенда), являющийся функцией α(x)=Ф[φ(х),Е(х)/Р], φ(х) – потенциал поля в рассматриваемой бочке, Е(х) – напряженность электрического поля, Р – давление газа; γ – коэффициент электронной эмиссии с катода под воздействием различных факторов;