Основные виды газовых разрядов применяемых в источниках и генераторах плазмы, их особенности, страница 7

На рисунке 2.6-7.4. показаны вольтамперные характеристики при свободном режиме катода, находящегося от анода на расстоянии 2 см, ток эмиссии катода составляет несколько ампер. На кривой 1, снятой для вакуума и на кривой 2 полученной для вакуума 2,5 Торр нет максимумов (точки А) и почти пологих горизонтальных частей (после точки В), которые хорошо видны на остальных кривых для больших давлений. Поведение горизонтальных участков указывает, что с ростом давления напряжение на дуге падает, а при постоянном давлении оно остается приблизительно неизменным (после точек В) в достаточно широком диапазоне изменения разрядного тока. В принципе только при давлениях в 0,06 мм. рт. ст. и выше напряжение дуги сравнимо с потенциалом ионизации, и разряд с полным основанием может быть назван дуговым.

В области давлений соответствующих кривым 3-5 напряжение горения разряда выше порогового напряжения катодного распыления и поэтому происходит разрушение катода.

При достаточно большом эмиссионном токе с катода и давлениях выше 0,1 Торр характеристики дуги имеют приблизительно один и тот же вид. Всю характеристику можно разбить на несколько частей, соответствующим различным токам разряда (см. рисунок 2.6-7.5.).

В области токов 1 (часть кривой ОР) напряжение дуги ниже потенциала ионизации и проходит чисто электронный ток в газе похожий на ток в вакууме, но с отличиями обусловленными упругими соударениями с молекулами газа.

После того, как напряжение на дуге сравнивается с потенциалом ионизации, наблюдается достаточно резкий рост тока при почти неизменном напряжении на дуге. При дальнейшем росте тока, начиная с точки А на характеристике (область 3, участок АВ) напряжение на дуге уменьшается и при некоторых условиях может стать даже меньше наименьшего критического потенциала. Такая дуга иногда называется низковольтной. В этой области характеристики ионизационные процессы происходят ступенчато при большой неоднородности поля, когда возможна реализация областей с очень высокой напряженностью электрического поля. Для сравнения в области 2 происходит в основном прямая ионизация ударом.

В следующей области ВАХ напряжение дуги опять таки слабо зависит от величины разрядного тока, оставаясь практически неизменным. В конце области 4 (точка С) имеет место переход к участку с резким ростом напряжения. Необходимо отметить, что резкий рост наблюдается при сравнительно низких давлениях меньше 0,1 торр. При более высоких давлениях переход к восходящей ветви становится более плавным. Это изменение характера ВАХ связывают с переходом от работы катода в свободном режиме к работе в несвободном режиме, т.е. к началу процессов интенсивной генерации носителей зарядов в плазме (область 5) и в дальнейшем к переходу разряда в самостоятельный (область 6).

Необходимо отметить, что экспериментальные исследования показали, что при давлениях ниже 2·10^-3 торр напряжение разряда увеличивается с ростом тока, даже когда катод находится в свободном режиме (область ВАХ левее точки С). Такие ВАХ не обладают плоским, горизонтальным участком. Различием формы ВАХ объясняется тем, что в зависимости от давления изменяется длина свободного пробега первичных электронов и они либо передают свою энергию электронам плазмы, либо расходуют ее непосредственно на ионизацию газа. При низких давлениях (длина свободного пробега - λ велика) первичные электроны в основном отдают энергию плазме, при более высоких давлениях интенсифицируется процесс ионизации.

В областях 3 и 6 дуга характеризуется падающими участками ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В области 3 при давлениях аргона от 0,3 торр и выше отмечается релаксационные, несинусоидальные колебания напряжения дуги. При более низких давлениях эти колебания не возникают, но появляются более высокочастотные плазменные колебания с f~10⁶ Гц, которые происходят так же и в области 4, где их интенсивность падает по мере приближения к точке С т.е. к току соответствующему току эмиссии катода.