Физическая природа микроразрядов

Барьерный разряд может возникать в двух видах: нитевидный и тлеющий (однородный). В большинстве случаев он неоднородный и состоит из большого числа микроразрядов в зазоре. Физика образования микроразрядов основана на процессах образования и распространения стримеров с последующим разрушением плазменного канала.

Стример- это волна ионизации, которая движется от анода к катоду навстречу движущейся электронной лавине. Стримеры развиваются с большой скоростью ~10⁸ см/сек и проходят зазор за несколько наносекунд. Электроны в проводящем канале рассеиваются примерно за 40 нсек, в то время как тяжелые и медленно движущиеся ионы остаются в течение нескольких микросекунд. Осаждение электронов на диэлектрическом барьере анода завершается созданием на нем отрицательного заряда, который предотвращает образование новых лавин и стримеров в месте осаждения заряда, до тех пор, пока анод и катод не поменяются местами. После смены полярности, осажденный отрицательный заряд стимулирует развитие новой лавины и стримера в этом же месте. В результате образуется много микроразрядов которые видны как яркие нити, заполняющие зазор.

Следует различать термины лавина, стример и микроразряд. Первичный электрон, возникший в зазоре возле катода производит вторичные электроны за счет непосредственной ионизации, в результате чего развивается электронная лавина. Если лавина достигла достаточно большого размера, т.е. удовлетворяет критерию Мика, то возникает стример, который движется навстречу лавине. Стример- это очень быстрая волна ионизации, которая перекрывает зазор за несколько наносекунд и образует проводящий канал диаметром ~100 мкм, заполненный слабоионизованной плазмой. Через этот канал начинает протекать значительный электрический ток, до тех пор, пока электрическое поле в зазоре не спадет. Спад электрического поля вызван электрическим зарядом, осажденном на электрическом барьере и зарядом ионов, находящихся в зазоре. Совокупность процессов в зарядном промежутке, инициируемых электронной лавиной и продолжающихся до тех пор, пока ток электронов не прекратится, обычно называют микроразрядом. После того, как ток прекратился, в канале разряда уже нет электронно-ионной плазмы. Однако имеется много возбужденных колебательных электронных состояний, совместно с электронным зарядом, осажденным на диэлектрической поверхности анода и зарядом ионов в зазоре. Все это называется остаток микроразряда. Положительные ионы остатка медленно движутся к катоду, создавая спадающий ионный ток (~10 мкс для зазора 1 мм). Остаток микроразряда стимулирует новый микроразряд в том же самом месте, когда полярность приложенного напряжения меняется. Таким образом, нитевидный разряд- это группа микроразрядов, возникающих в том же самом месте, когда полярность меняется. Тот факт, что остаток микроразряда не рассеивается полностью до образования нового микроразряда, называется эффектом памяти. На рис. 4 моказан механизм развития микроразряда.

Рисунок 4 - Механизм развития микроразряда.

В левой части рисунка показан стример, движущийся от анода к катоду и притягивающий дополнительные электронные лавины. Справа изображен плазменный канал и остаток микроразряда, который имеет положительный заряд, потому что электроны покидают его намного быстрее, чем ионы. Оставшийся положительный заряд совместно с отрицательным зарядом на поверхности диэлектрика влияет на образование соседних лавин и стримеров, таким образом на генерацию соседних микроразрядов. Механизм влияния состоит в следующем.

Положительный заряд усиливает электрическое поле в области катода и ослабляет в области анода. Так как переход от лавины к стримеру в основном зависит от величины электрического поля вблизи анода, откуда возникают стримеры, то образование соседних микроразрядов предотвращается. Это явление зависит от многих факторов. Включая частоту микроразрядов и частоту изменения приложенного напряжения. Например, при наличии небольшого числа микроразрядов, когда расстояние между ними достаточно большое, не наблюдается значительного взаимодействия между микроразрядами. В случае приложение переменного электрического поля достаточно низкой частоты, то есть когда период изменения напряжения больше, чем время жизни остатка микроразряда, взаимное влияние микроразрядов так же не наблюдается. Следует отметить, что при приложении высоких частот, порядка мегагерц, явление взаимодеиствия между разрядами так же не наблюдается, потому что, быстро изменяющееся электрическое поле взаимодействует с ионами, движущимися к электродам.