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 ρ_р и ρ_е, j_р и j_e. 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 l_к. 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;