Физика разряда в вакууме и его применение. Электродные и безэлектродные разряды. «Идеальные» и реальные электроды, страница 4

nc = n(T) – равновесная концентрация, определяемая по формуле Саха

Дуговой разряд с термоэмиссионным катодом в одноатомном газе при атмосферном давлении. Процессы на катоде

Структура прилегающей к катоду области (упрощённо)

Катод эмитирует электроны, которые входят в плазму, ускорившись в слое пространственного заряда. На катод из плазмы падают ионы, ускоряемые в слое пространственного заряда. Ионы адсорбируются на поверхности и нейтрализуются, «вытаскивая» из катода электроны (энергия ионов недостаточна для распыления катода). Образовавшиеся нейтральные атомы десорбируются с катода. На катод падают из плазмы «обратные» электроны, т.е.электроны, энергия которых достаточна для преодоления прикатодного потенциального барьера.

Плотности тока и потока энергии на катод

Такие представления о структуре прикатодного слоя (и, вообще, слоя прилегающего к поверхности отрицательного, то есть задерживающего поток электронов из плазмы, электрода, например, зонда) в общем случае оказались неверными. Так можно описать слой, только если температуры электронов и ионов в прилегающей к слою плазме одинаковы. Такой случай в разрядной плазме реализуется крайне редко.

Дуговой разряд с термоэмиссионным катодом в одноатомном газе при атмосферном давлении. Процессы на катоде

Структура прилегающей к катоду области (более строгое рассмотрение)

Плотности тока и потока энергии на катод

Критерий Бома. Для формирования слоя пространственного заряда при условии Ti <<Te необходимо, чтобы входящие со стороны плазмы в слой ионы были ускорены до энергии не меньше ½ kTe. Поэтому в плазму на длину свободного пробега ионов проникает сильное для ионов поле, создающее требуемый перепад потенциала. Ионы набирают в нём энергию ½ kTe, значительно превосходящую их энергию в глубине плазмы.

Плотность потока энергии в прикатодную плазму со стороны катода

Эта энергия тратится в прикатодной плазме на нагрев и ионизацию, а часть её отводится током электронов в сторону анода. В балансе энергии играет роль также теплопроводность и электронов и тяжёлых частиц. Поскольку в глубине плазмы ток переносится практически только электронами, а плазма сильно ионизована, то плотность потока энергии, выносимой из прикатодной плазмы током, можно записать так:

в сильно ионизованной плазме (кулоновский механизм рассеяния)

Дуговой разряд с термоэмиссионным катодом в одноатомном газе при атмосферном давлении. Процессы в плазме и структура прикатодного слоя. (рисунок схематичен, сделан не в масштабе)

катод

Дуговой разряд с термоэмиссионным катодом в одноатомном газе при атмосферном давлении. Процессы на аноде

Плотность тока на анод

Плотность потока тепла на анод (основной вклад даёт поток тепла, приносимый электронным током)

Процессы в плазме и структура прианодного слоя

(рисунок схематичен, сделан не в масштабе)

Дуговой разряд низкого давления с высокой плотностью тока. Структура прианодного слоя. Анодное падение потенциала

Электронный ток на анод при отрицательном падении потенциала в слое пространственного заряда (соотношение Ленгмюра)

В дуге с высокой плотностью тока

Это соотношение, в отличие от соотношения Ленгмюра, можно проверить экспериментально

Результаты зондовых измерений в сильноточных (I~100A) свободно горящих дугах низкого и среднего давления с плоско-параллельной геометрией электродов в парах цезия (1-3) и смеси цезия с ксеноном (4) и аргоном (5-7).

Эксперимент показал, что в свободно горящих сильноточных дугах пониженного давления с плоско-параллельной геометрией электродов анодная привязка дуги имеет диффузную форму и устойчива относительно контрагирования. Анодное падение потенциала отрицательно.