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

Материалы лекций № 2.6. и 2.7.

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

*****

Основные виды газовых разрядов применяемых в источниках и генераторах плазмы. Вольтамперная характеристика газового разряда. (Вольтамперная характеристика тлеющего разряда, ее особенности. Вольтамперная характеристика дугового разряда, ее общие особенности.). Влияние различных факторов на вид вольтамперной характеристики разряда. Внутреннее сопротивление источника плазмы, его связь с ВАХ. Понятие отрицательного сопротивления, его смысл и особенности. Энергетический баланс цепи с отрицательным сопротивлением. Характеристики элементов цепи с отрицательным сопротивлением (Статические характеристики. S и N-образные характеристики, управление током и напряжением. Характеристики отрицательных сопротивлений при переменном токе (Виды годографов. Отрицательное сопротивление S - типа, управляемое напряжением. Отрицательное сопротивление N-типа, управляемое током.).).

*****

Для того, чтоб решить вопрос какими свойствами должен обладать источник питания для газоразрядного устройства, очевидно, для начала необходимо разобраться с вопросом что же представляет собой газовый разряд как нагрузка ИВЭП?

2.6-7.1. Основные виды газовых разрядов применяемых в источниках и генераторах плазмы.

Как утверждают классики, в частности Грановский В. Л (см. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М. Наука, 1971 г, 544 стр.), «электрические токи в газах разнообразны во многих отношениях». Это действительно так. Разряд в газообразной (или парообразной) среде может осуществляться, прежде всего, как на постоянном, так и на переменном токе. И если разряд на переменном токе низкой частоты (когда период тока заметно больше характерных времен необходимых электронам для набора энергии для ионизации газа), в общем-то не сильно отличается по характеру происходящих в разряде процессов, то разряды на высоких и очень высоких частотах уже сильно отличается от разряда на постоянном токе. В технике используются разряды на обоих родах тока. Необходимо отметить, что кроме постоянного и переменного родов тока в плазменных устройствах иногда используются и импульсные токи (например, ИПД или импульсные системы напыления). Но большее распространение как в ЭРД, так и в технологических источниках плазмы получили разряды на постоянном токе. Поэтому ограничимся в рассмотрении ими.

Разряды можно разделить по виду процессов приводящих к образованию в них носителей зарядов на самостоятельные и несамостоятельные. Это связано с тем, что в нормальных условиях газ (или пар) является достаточно хорошим диэлектриком, вне зависимости от того из молекул или атомов и какого вещества он состоит. Пар металла так же диэлектрик, как и пар диэлектрика. Для того чтобы в газо- или парообразной среде мог протекать ток, т.е. чтобы реализовывался тот или иной вид разряда, необходимо чтобы в среде появились носители заряда, т.е. электроны и/или ионы.

В несамостоятельном разряде носители заряда привносятся в среду извне. Источником электронов или ионов может служить какой-то электрод (или источник частиц, контактирующий со средой). Таким источником может быть, например, катод, либо накаленный (термоэмиссия), либо испускающий электроны под действием квантов (фотокатод), либо испускающий электроны под действием приложенного сильного электрического поля (эффект Шотки – автоэлектронная эмиссия). Источником заряженных частиц может служить и специальное устройство, в котором образуется плазма – полый катод. Источником заряженных частиц в разрядном промежутке может стать и само рабочее тело, т.е. газ или пар ионизующийся под действием потока ионизирующих излучений частиц либо квантов. В любом случае, после приложения к разрядному промежутку напряжения между его электродами возникает электрический ток, т.е. происходит пробой промежутка или по другому зажигание разряда. Если каким-то образом теперь отключить внешний ионизатор то разряд может либо погаснуть (в этом случае считается, что он несамостоятельный), либо продолжать гореть (если он самостоятельный). Самостоятельный разряд отличается тем, что в нем происходит независимая от внешнего источника генерация заряженных частиц в количестве достаточном для поддержания протекающего через разряд тока. Из вышеизложенного можно сделать еще один вывод – разряд начинается с его зажигания, достаточно сложной и во многом особенной фазы существования разряда.

Если разряд в межэлектродном промежутке загорелся, то дальше он может существовать в двух вариантах либо как стационарный, когда вид, структура и основные параметры разряда достаточно стабильны во времени, либо как нестационарный, когда во времени изменяются параметры разряда, либо даже его вид. Стационарность разряда это его достаточно важное свойство, т.к. источник плазмы у которого параметры генерируемого образования нестабильны, а тем более меняются непредсказуемым образом, мало для чего и вряд ли особо кому нужен.