Формы электродного газового разряда

 

При изменении тока во внешней цепи в простейшей камере с холодными электродами можно наблюдать различные формы электродного газового разряда. Эти формы прослеживаются на характерной вольт-амперной характеристике разряда постоянного тока . (рис.1.9). Область АВ соответствует переходу от разряда с очень малой плотностью анодного тока j_A = 10^-15 – 10^-6 А/см² (таунсендовского разряда) к нормальному тлеющему. В этом случае только часть катода эмиттирует электроны и покрыта свечением. На участке ВС с возрастанием тока "работающая область" катода увеличивается, а плотность тока сохраняется.

Когда вся поверхность катода начинает эмиттировать электроны и покрывается свечением, разряд переходит в режим аномального тлеющего (участок CD). В этом режиме для повышения интенсивности ионизации в объеме и, следовательно, роста тока необходимо электроны разогнать до больших скоростей увеличением напряжения на разрядном промежутке.

 

а б

C дальнейшим подъемом напряжения ускорение электронов сопровождается существенным ускорением ионов, которые начинают бомбардировать катод. Катод разогревается, возникает заметная термоэлектронная эмиссия. Напряжение, необходимое для поддержания разряда, значительно уменьшается, ток существенно растет, разряд переходит в сильноточный дуговой с падающей характеристикой (участок DE). В подобном дуговом разряде основным процессом генерации электронов и ионов является термическая ионизация.

В технологических плазменных устройствах могут использоваться различные пространственные зоны или области разряда. Обрабатываемое изделие может размещаться как на поверхности катода или анода, так и в различных участках межэлектродного пространства. Поэтому необходимо рассмотреть эти участки с точки зрения распределения потенциала в межэлектродном пространстве. Данное распределение существенно различно у тлеющего (рис. 1.10) и дугового разряда (рис. 1.11) и определяется элементарными процессами в разряде – характером ионизации, динамикой приобретения и потери энергии электронами и т.д.

Рассмотрим подробнее основные отличия тлеющего и дугового разряда

 

Тлеющий разряд

 

Тлеющий разряд возникает на холодных электродах обычно при относительно низком давлении газа Р = 10^-2 – 10 Па. Отличительной чертой тлеющего разряда является малая плотность тока на катоде (~ 10 ^-3 А/см²) и большое (порядка сотен вольт) катодное падение потенциала. Температура катода невысока (не больше 500-700 К). Испускание электронов холодным катодом происходит вследствие ударов положительных ионов и быстрых атомов о катод (вторичная электронная эмиссия), а также по некоторым другим причинам (фотоэффект и др.). Электроны покидают катод с небольшой скоростью, определенной работой выхода из металла. Необходимую для ионизации атомов энергию электрон приобретает в электрическом поле. Если тлеющий разряд происходит в длинной цилиндрической трубке, наполненной газом, то можно визуально различить ряд резко разграниченных областей разряда (рис. 1.10).

Около катода располагается небольшая темная область 1 – темное катодное пространство (темное кружево), в котором свечение газа не происходит, так как энергия электронов еще недостаточна для возбуждения молекул газа. В этой области наблюдается основное падение потенциала, вызванное большой концентрацией ионов на границе областей 1 и 2.

В области 1 происходит значительное ускорение электронов и ионов. Ионы направляются к катоду, где происходит взаимодействие ускоренных ионов с материалом катода, в результате которого из катода выбиваются электроны, которые обуславливают поддержание режима самостоятельного разряда, а материал катода под действием ионной бомбардировки распыляется.

В области 2 электроны, набрав достаточную энергию, сталкиваются с атомами или молекулами остаточного газа. Здесь происходит ионизация и возбуждение атомов, в результате чего возникает свечение. Эта область носит название области катодного свечения. Именно в этой области образуются ионы, необходимые для поддержания разряда и дающие поток распыленных атомов вещества катода.

В области 3, называемой Фарадеевым темным пространством, электроны, потерявшие свою энергию в области 2, вновь ее набирают, ускоряясь в электрическом поле. Энергия электронов в области 3 недостаточна для ионизации или возбуждения, поэтому пространство 3 – темное.

В пространстве 4, носящем название положительного столба, происходит ионизация и возбуждение атомов газа электронным ударом. Концентрация электронов и ионов здесь велика, падение потенциала незначительно, проводимость большая. Весь положительный столб светится. Положительный столб 4 занимает основную часть тлеющего разряда и представляет собой газоразрядную плазму с большой неравновесностью при низких давлениях газа. Температура электронов примерно на порядок больше температуры ионов и нейтральных частиц.

Тлеющий разряд реализуется в установках магнетронно-ионного распыления. Светящиеся рекламные трубки, лампы дневного света, покрытые изнутри люминофорами сложного состава, представляют собой многочисленные применения плазмы тлеющего разряда (рис. 1.12). Тлеющий разряд в плазме молекулярных газов (например, СО и СО₂) широко используется для создания активной среды газовых лазеров на колебательно-вращательных переходах в молекулах.

 

Дуговой разряд

 

Для дугового разряда характерно чрезвычайное разнообразие принимаемых им форм: он может возникать практически при любом давлении газа – от менее 10^{-5 мм рт. ст. до сотен атмосфер. Разность потенциалов между электродами дугового разряда может принимать значения от нескольких вольт до нескольких тысяч вольт (высоковольтный дуговой разряд). Отличительными особенностями всех форм дугового разряда являются:}

1) малая величина катодного падения потенциала;

2) высокая плотность тока на катоде;

3) наличие термической ионизации;

4) увеличение свечения и исчезновение темных пространств.

Катодное падение в дуговом разряде обычно порядка ионизационного потенциала рабочего газа или ещё ниже (1 – 10 В); плотность тока на катоде составляет 10² – 10⁷ А/см². При столь большой плотности тока сила тока в дуговом разряде обычно также велика – порядка 1 – 10 А и выше, а в некоторых формах дугового разряда достигает многих сотен и тысяч ампер.

Формированию дугового разряда предшествует короткий нестационарный процесс в пространстве между электродами – разрядном промежутке. Длительность этого процесса (время установления дугового разряда) обычно ~ 10^-6 – 10^-4 сек в зависимости от давления и рода газа, длины разрядного промежутка, состояния поверхностей электродов и т.д. Дуговой разряд получают, ионизуя газ в разрядном промежутке (например, с помощью вспомогательного, так называемого поджигающего электрода). В других случаях для получения дугового разряда разогревают один или оба электрода до высокой температуры либо раздвигают сомкнутые на короткое время электроды. Дуговой разряд может также возникнуть в результате пробоя электрического разрядного промежутка при кратковременном резком повышении напряжения между электродами. Если пробой происходит при давлении газа, близком к атмосферному, то нестационарным процессом, предшествующим дуговому разряду, является искровой разряд.

Коренное отличие дугового разряда от других типов стационарного электрического разряда в газе заключается в характере элементарных процессов, происходящих на катоде и в прикатодной области. Если в тлеющем разряде имеет место вторичная электронная эмиссия, то в дуговом разряде электроны вылетают из катода в процессах термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии (называемой также туннельной эмиссией). Термоэлектронная эмиссия возникает в том случае, когда температуру катода в достаточной степени повышают удары положительных ионов, образующихся в разрядном промежутке и ускоряемых электрическим полем по направлению к катоду. Автоэлектронная эмиссия требует существования у поверхности катода сильного электрического поля, просто вытягивающего электроны из металла. Такое поле в дуговом разряде создаётся объёмным зарядом положительных ионов, удалённым от катода на расстояние порядка длины свободного пробега этих ионов (10^-6 – 10^{-4 см).}

Как отмечалось выше, самостоятельный дуговой разряд может существовать как при крайне малых давлениях газа (так называемые вакуумные дуги), так и при высоких давлениях. Плазму самостоятельного дугового разряда низкого давления отличает неизотермичность (неравновесность): ионная температура лишь ненамного превышает температуру нейтрального газа в пространстве, окружающем область разряда, в то время как электронная температура достигает десятков тысяч градусов, а в узких трубках и при больших токах – сотен тысяч (Т_е>> Т_i > Т_n). Объясняется это тем, что более подвижные электроны, получая энергию от электрического поля, не успевают передать её тяжёлым частицам в редких столкновениях.

В дуговом разряде высокого давления плазма изотермична (точнее – квазиизотермична, т. к., хотя температуры всех компонент равны Т_е= Т_i = Т_n, температура в разных участках столба дугового разряда не одинакова). Эта форма дугового разряда характеризуется значительной силой тока (от 10 до 10³ А) и высокой температурой плазмы (порядка 10⁴ К). Наибольшие температуры в таком дуговом разряде достигаются при охлаждении дуги потоком жидкости или газа – токовый канал «охлаждаемой дуги» становится тоньше и при той же величине тока нагревается сильнее. Именно эту форму дугового разряда называют электрической дугой – под действием направленных извне или конвекционных, вызванных самим разрядом, потоков газа токовый канал дуговой разряд изгибается (рис. 1.13).

Дуговой разряд широко применяется в дуговых печах для выплавки металлов, в газоразрядных источниках света, при электросварке, служит источником плазмы в плазматронах.

Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 году русским инженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света».