Тлеющий разряд. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Тлеющий разряд - электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамич. неравновесностью и квазинейтральностью возникающей плазмы. Эфф. температура электронов в тлеющем разряде существенно выше температуры газа и электродов, термоэмиссия с к-рых отсутствует. Tлеющие разряды делятся на 2 класса: самостоятельный и несамостоятельный (с внеш. ионизатором). Каждый из этих разрядов подразделяется на виды в зависимости от рода источника электрич. питания: импульсный, стационарный, переменного тока. Каждый вид тлеющего разряда может гореть в покоящемся газе и в потоке газа. Самостоятельные разряды отличаются геометрией: плоской и цилиндрической.

Наиб. подробно изучен тлеющий разряд, горящий в стеклянных трубках, к-рый широко применяется в технике: лампы дневного света, разл. осветит. приборы, газовые лазеры малой и ср. мощности. Тлеющий разряд, горящий между плоскими электродами, используется в тиратроне и импульсных лазерах, тлеющий разряд, горящий в потоке газа,- в плазмохим. реакторах и для накачки активной среды мощных непрерывных и импульсно-периодич. газовых лазеров.

Общие свойства тлеющего разряда

Tлеющий разряд получил своё название из-за наличия на одном из электродов (катоде) т. н. тлеющего свечения (TC, рис. 1). Это свечение обусловлено большим падением потенциала в узком слое объёмного заряда вблизи катода. Вблизи анода также имеется тонкий слой объёмного заряда, наз. анодным слоем (AC). Остальная часть межэлектродного промежутка занята квазинейтральной плазмой. К зоне TC примыкает область фарадеева тёмного пространства (ФТП), переходящая в положительный столб (ПС), к-рый является самостоят. частью разряда, не зависящей от др. слоев разряда.

Рис. 1. Внешний вид и распределение напряжённости электрического поля в тлеющем разряде в трубке:
1 - катодный слой; 2-тлеющее свечение; 3-фарадеево тёмное пространство; 4 - положительный столб; 5 - анодный слой.

Толщина катодного слоя (КС) и его характерные времена весьма малы, поэтому он наиб. автономен и его свойства являются общими для большинства видов тлеющих разрядов. Наличие большого скачка потенциала на КС стационарного тлеющего разряда (200-400 В) обусловлено тем, что поле в КС должно обеспечивать интенсивную ионизацию и усиление ионного и электронного токов. Ширина КС d равна неск. длинам ионизации электроном атомов или молекул газа. Если ср. плотность тока на катоде меньше величины нормальной плотности тока j_н, то TC покрывает лишь часть катода. При увеличении тока площадь, занятая током, увеличивается пропорционально току, а напряжение на КС постоянно и равно нормальному катодному падению. Это важное свойство тлеющего разряда наз. законом нормальной плотности тока. Гидродинамич. модель (Энгеля - Штеенбека) однородного вдоль катода КС постулирует, что величины U_н и j_н равны мин. напряжению и соответствующей ему плотности тока теоретич. вольт-амперной характеристики (BAX). Эта модель правильно описывает подобия законы, наблюдаемые экспериментально: j_н/p², pd_н, U_н зависят только от рода газа и материала катода. Однако количеств. совпадение теории с экспериментом носит скорее случайный характер. Постулат Энгеля - Штеенбека и закон нормальной плотности тока нашли подтверждение в рамках двумерных нестационарных гидродинамич. ур-ний, решённых численными методами (рис. 2).

Рис. 2. Распределение плотности тока на катоде в тлеющем разряде в азоте (расчёт)
при давлении р = 5 тор, межэлектродном расстоянии 1 см;
а - при токе I=0,75 mА, б - при I=1,5 mA.

Аналогичные явления имеют место на аноде тлеющего разряда. Электроны, выходящие из плазмы ПС, ускоряются на скачке потенциала AC и также, как и вблизи катода, производят ионизацию газа. Однако здесь ионизация не столь сильна, но она необходима, т. к. эмиссия ионов с холодного анода отсутствует. В стационарном тлеющем разряде закон нормальной плотности тока проявляется в покоящемся газе, при отсутствии потока газа. Гидродинамич. модель плоского анодного слоя, учитывающая кинетич. эффекты, объясняет законы подобия: j_н/p², U_н зависят только от рода газа. Неустойчивость плоского AC имеет теоретич. объяснение в рамках гидродинамич. ур-ний, в этом приближении структура стационарного анодного пятна определяется диффузией электронов.

Свойства др. областей тлеющего разряда (TC, ФТП и ПС) довольно сильно зависят от вида разряда. Рассмотрим их на примере классич. вида тлеющего разряда - разряда в трубке с электродами на концах.

Тлеющий разряд постоянного тока в трубке

Поскольку толщина КС порядка длины ионизации, часть электронов, ускоряясь на катодном скачке потенциала, набирает энергию, равную этому потенциалу. В результате интенсивной ионизации газа этим пучком электронов в области TC образуется светящийся слой плазмы большой плотности. Величина электрич. поля здесь близка к нулю. По мере продвижения от области TC по направлению к аноду плотность плазмы падает из-за рекомбинации и амбиполярной диффузии, электрич. поле растёт, но ещё недостаточно для ионизации и возбуждения атомов (область ФТП). Далее, в области ПС электрич. поле достигает величины, при к-рой ионизация электронами, набирающими энергию в этом поле, становится существенной. Для электрич. поля в ПС справедлив закон подобия E/p=f(pR), вытекающий из равенства скоростей ионизации и потерь за счёт амбиполярной диффузии к стенкам (теория Шоттки). BAX ПС не зависит от тока, плотность плазмы пропорциональна плотности тока. Для молекулярных газов с ростом тока необходимо учитывать процессы объёмной рекомбинации, приводящие к слабому росту напряжения на ПС, при дальнейшем увеличении тока происходит нагрев газа (для молекулярных газов). В атомарных газах при увеличении тока в первую очередь газ разогревается, плотность его уменьшается и, как следствие, уменьшается напряжение на ПС. BAX при этом падающая.

Электроны в ПС термодинамически неравновесны. Их эфф. темп-pa существенно превосходит температуру атомов и молекул и составляет 2-3 эВ. Это обстоятельство и однородность E/p в длинных трубках используются для создания инверсной населённости атомов и молекул в газовых лазерах.

Плоский самостоятельный тлеющий разряд

Потребности практики в поддержании тлеющего разряда в больших объёмах привели к реализации плоских разрядов, где расстояния между боковыми стенками превышают межэлектродное расстояние L. Плоский разряд используют при средних (10-100 тор) и высоких (>100 тор) давлениях. Плоский тлеющий разряд сохраняет все осн. черты тлеющего разряда в трубке, однако область ФТП определяется балансом процессов амбиполярного дрейфа и рекомбинацией, а потери за счёт диффузии к боковым стенкам несущественны. Поскольку характерный размер ФТП L_ф в этом случае не зависит от давления газа, тлеющий разряд оказывается существенно неоднородным и при ср. давлениях. Напр., для азота L_ф [см ] =0,1/j [A·см^-2]. Вольт-амперная характеристика ФТП растущая:

В сильноточных разрядах повышенного давления все неоднородные области КС, AC, ФТП малы. При средних и высоких давлениях нормальная плотность тока на катоде существенно превышает плотности тока, используемые на практике. Для того чтобы избежать стягивания тока на катоде (см. Контракция газового разряда) и следующего за этим образования дуги, катод делят на секции, искусственно распределяя ток в среднем равномерно по катоду (рис. 3, а). Такой катод представляет из себя набор штырей, присоединённых через сопротивления к общей шине. При возрастании тока, стекающего на один штырь, напряжение на нём падает, что приводит к ограничению тока. Избежать контракции можно также за счёт поддержания разряда короткое время (~1 мкс), чтобы неустойчивость не успела развиться, т. е. с помощью спец. системы питания реализуют импульсный тлеющий разряд. Однако и в этом случае необходимо принимать спец. меры для однородного пробоя газа, т.к. из-за стримерного характера пробоя разряд, минуя фазу тлеющего, переходит в дугу. Электроды могут быть сплошными, однако либо вблизи катода, либо в объёме создаётся предварительная ионизация с помощью вспомогат. электрода, помещённого вблизи катода или вне разрядного промежутка. При подаче напряжения сначала возникают разряды между катодом и вспомогат. электродом- образуется плазменный катод, затем импульсный тлеющий разряд развивается в основном разрядном промежутке (рис. 3, б). Однородность квазистационарного и импульсного разрядов с секциониров. катодами зависит от расстояния между штырьками. Для стабилизации тлеющего разряда применяются также комбинир. тлеющий разряд и разряд переменного тока.

Рис. 3. Схемы возбуждения самостоятельного тлеющего разряда:
а - импульсного, квазистационарного и стационарного разрядов в потоке газа,
1-анод, 2-штыри или узкие пластины для разряда в потоке газа,
R_б-балластные сопротивления; б- импульсного:
1-катодная пластина,
2 - анод, 3-ёмкость вспомогательного разряда;
в - ёмкостного самостоятельного разряда:
1 -диэлектрические пластины, 2- электроды.

Tлеющий разряд комбинированным и переменного тока

Хотя технически эти виды разряда отличаются весьма существенно, их роднит общность механизма протекания тока. В обоих разрядах ток течёт по рекомбинирующей плазме; ионизация осуществляется в течение короткого промежутка времени периодически с частотой, большей обратного времени рекомбинации. В т. н. комбинир. разряде ионизация происходит при подаче вспомогат. высоковольтных импульсов напряжения на штырьки. Осн. разряд поддерживается между катодом и анодом от источника пост. напряжения. Поскольку плотность плазмы не зависит от пост. напряжения, такой разряд в промежутке между импульсами является несамостоятельным. T. о., комбинир. тлеющий разряд состоит из 2 разрядов: самостоятельного и несамостоятельного.

В разряде переменного тока ионизация осуществляется в момент макс. напряжения на разрядном промежутке, остальное время такой тлеющий разряд также является несамостоятельным. Характерная особенность такого разряда - простота реализации секционирования катода: его покрывают изоляционным слоем с большой диэлектрич. проницаемостью (рис. 3, в), являющимся реактивным балластным сопротивлением. Использование такого балласта значительно повышает кпд разряда по сравнению с разрядом пост. тока с активным сопротивлением (рис. 3, а). Механизм протекания тока в тлеющем разряде переменного тока существенно зависит от частоты источника питания и проводимости плазмы s. При низких частотах (10-100 кГц), когда w/4ps<<1, в каждом полупериоде происходит распад и формирование КС и AC. T. к. период колебаний меньше времени рекомбинации плазмы, зона ФТП не успевает установиться в течение полупериода, поэтому низкочастотный тлеющий разряд более однородный по сравнению с тлеющим разрядом пост. тока. При повышении частоты омический ток сравнивается с током смещения (w/4ps

1). Это происходит прежде всего в КС, т. к. в нём проводимость s самая маленькая. Расчёты и эксперимент показывают, что и в этом случае на электродах ток может контрагировать. Здесь также проявляется закон нормальной плотности тока (см. выше). В таком разряде вблизи анода и катода образуются слои квазинейтральной плазмы повышенной плотности. Характерный размер этих слоев определяется амбиполярным дрейфом за счёт нарушения электронейтральности плазмы. Если межэлектродное расстояние L не превышает характерного размера приэлектродных слоев, то в ПС ионизация несущественна и BAX растущая:

. Когда w/4ps>> 1 и замыкание тока КС и AC осуществляется токами смещения, необходимость в интенсивной ионизации отпадает, приэлектродные BAX обладают положит. дифференц. сопротивлением, и эти слои оказывают стабилизирующее влияние на разряд.

Несамостоятельный тлеющий разряд

Несамостоятельный тлеющий разряд отличается от самостоятельного тем, что проводимость его поддерживается с помощью внеш. ионизатора (рис. 4). Поэтому важнейшей характеристикой T. p. E/p можно управлять в широких пределах и независимо от тока. Широко распространён несамостоятельный T. р., поддерживаемый пучком быстрых электронов (~200 кэВ). Чем больше ток пучка, тем выше концентрация разрядной плазмы. Структура несамостоятельного тлеющего разряда похожа на структуру самостоятельного тлеющего разряда. На КС внеш. ионизация существ. влияния не оказывает, т. к. ударная ионизация превосходит внешнюю. Этот слой может контрагировать, как и в самостоят. тлеющем разряде. Однако характер контракции здесь иной. Разряд на катоде разбивается на множество пятен (рис. 5). Поскольку ПС несамостоятельного тлеющего разряда обладает большим положит. дифференц. сопротивлением, он оказывает стабилизирующее воздействие на КС и препятствует слиянию пятен. Как и в самостоят. разряде, контракция на катоде не возникает при использовании импульсов малой длительности (<= 1 мкс). В несамостоятельном тлеющем разряде постоянного тока количество пятен пропорционально полному току. Внеш. ионизатор оказывает стабилизирующее влияние на AC, и анодным падением, как правило, можно пренебречь. Несамостоятельный тлеющий разряд может гореть в больших объёмах в широком диапазоне давлений и токов и используется для накачки мощных газовых лазеров.

Рис. 4. Схема возбуждения несамостоятельного разряда:
1 - анод; 2 - катод; 3 - электронный пучок.

Рис. 5. Светящаяся поверхность катода в несамостоятельном разряде;
видны проводящие каналы, зарождающиеся на катодных пятнах.

Tлеющий разряд в потоке газа

Tлеющий разряд в потоке газа наиболее важен для практич. применения. Поток газа прокачивают через различные виды тлеющего разряда для того, чтобы увеличить охлаждение газовой среды. В покоящемся газе охлаждение за счёт теплопроводности часто оказывается недостаточным для практических потребностей. Поток газа, проходя через разряд, ионизуется, и плазма выносится потоком за пределы электродной системы. Кроме того, охлаждение потоком существенно изменяет температурное поле и соответственно величину E/N (N - концентрация нейтрального газа), последняя, в свою очередь, очень сильно влияет на проводимость самостоят. разряда. Часто используется схема поперечного разряда, когда вектор скорости потока газа нормален вектору напряжённости электрич. поля (рис. 3, 4). В таком разряде КС находится в глубине пограничного слоя и практически не отличается от КС тлеющий разряд в покоящемся газе. Весьма существенно поток изменяет свойства AC. Если поток ламинарный, то неустойчивость AC приводит к образованию на аноде полос, вытянутых вдоль потока. В турбулентном потоке наблюдаются хаотичное образование и размытие анодных пятен.

Поддержание фронта ионизации ПС тлеющего разряда при невысоких скоростях газа и давлениях возможно за счёт амбиполяр-ной диффузии, к-рая выносит плазму навстречу потоку. Без учёта рекомбинации и нагрева газа баланс плазмы определяется равенством скоростей ионизации и выноса плазмы потоком газа. Напряжение на разряде U не зависит от тока. При учёте рекомбинации BAX разряда U(j) - слабо растущая функция, а при больших значениях тока, когда существен нагрев газа, U(j)-слабо падающая, неустойчивая. Остаётся неясным механизм поддержания в потоке газа ФТП, где нет ионизации. Возможно, здесь играют роль процессы амбиполярного дрейфа электронов из зоны TC. При пониженных давлениях в качестве катода используется охлаждаемая водой трубка, расположенная поперёк потока газа, анод - сплошная металлич. пластина. Для улучшения устойчивости такого разряда секционируют анод.

Рис. 6. Схема возбуждения комбинированного продольного разряда:
1 - катодный штырь; 2-анодная трубка; 3-диэлектрическая пластина;
4-электрод вспомогательного разряда.

Наряду с поперечным разрядом на практике применяют также продольный разряд, в к-ром электрич. поле направлено навстречу потоку газа (рис. 6). Для улучшения устойчивости этого разряда ионизацию создают с помощью повторяющихся высоковольтных импульсов, прикладываемых поперёк потока.

Tлеющий разряд в электроотрицательных газах

В таких разрядах в целом сохраняется структура разряда в электроположит. газах. Наиб. существенно изменяются свойства ФТП, эта зона протяжённее, чем в обычном тлеющем разряде, и может занимать весь разрядный промежуток. Важными здесь являются процессы рекомбинации положит. и отрицат. ионов.

Неустойчивости тлеющего разряда

Неустойчивости тлеющего разряда, вызывающие волны и домены, можно приблизительно разбить на 3 больших класса: электродинамические, тепловые и доменные. Электродинамические неустойчивости (упоминавшиеся выше) проявляются в виде шнурования тока на электродах в КС и AC и связаны с отрицат. дифференц. сопротивлением этих слоев. Во мн. случаях эти неустойчивости приводят к появлению тепловых неустойчивостей из-за резкого увеличения скорости ионизации вследствие нагрева газа и его прорежения либо из-за возбуждения колебат. или электронных уровней молекул и атомов. На рис. 5 хорошо видно прорастание токового канала из катодного пятна в импульсном несамостоятельном тлеющем разряде. Этот токовый канал может приводить к более быстрому замыканию межэлектродного канала по сравнению с неустойчивостью, однородной вдоль электрич. поля. Это связано с тем, что на головке канала может существенно усиливаться электрич. поле, как в обычном стримере, что приводит к ускоренному распространению канала. В тлеющем разряде в потоке газа такие шнуры выносятся потоком и снова возникают в межэлектродном пространстве. Они являются причиной низкочастотных (~кГц) колебаний.

Доменная неустойчивость (см. Низкотемпературная плазма) в тлеющем разряде приводит к возбуждению высокочастотных (МГц) колебаний, связанных с образованием слоев с повышенным сопротивлением, бегущих вдоль электрич. поля. Из-за N-образной зависимости дрейфовой скорости электронов от поля могут возбуждаться домены, аналогичные доменам Тана в полупроводниках. В электро-отрицат. газах (имеющих отрицат. ионы) с увеличением E сильно растёт скорость прилипания электронов, что приводит к возникновению неустойчивости. Эта неустойчивость во многом аналогична рекомбинационным доменам в полупроводниках. Домены большой амплитуды движутся от катода к аноду с большой скоростью (~ 10⁶ см/с) и существенно изменяют нек-рые характеристики ПС тлеющего разряда: <E/p> и т. д.

По внеш. проявлению на доменную неустойчивость похожи страты .Однако они имеют др. природу и объясняются действием разл. механизмов усиления ионизации, напр. за счёт ступенчатой ионизации и электрон-электронных соударений.

Литература по тлеющим разрядам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.