Тлеющий разряд картинка

Тлеющий разряд картинка

Тлеющий разряд картинка

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:

  • тлеющий разряд;
  • искровой разряд;
  • дуговой разряд;
  • коронный разряд.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.

Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.

При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.

Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала.

В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.

Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.

2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами.

Тгаза = 10 000 К

После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).

3. Дуговой разряд. Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).

При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.

4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.

Тлеющий разряд

На рис. 3-26, а показан внешний вид тлеющего разряда, характеризующийся чередованием темных и светящихся слоев газа, носящих названия:

  1. первая катодная темная область;
  2. первое катодное свечение;
  3. вторая катодная темная область;
  4. второе катодное свечение (катодное тлеющее свечение);
  5. фарадеева темная область;
  6. столб разряда;
  7. анодная темная область;
  8. анодное свечение.

Рис. 3-26. Тлеющий разряд:
а — внешний вид;
б -распределение интенсивности свечения;
в — распределение потенциала;
г — напряженность поля;
д — распределение объемных зарядов.

Катодное падение потенциала при нормальном тлеющем разряде (свечением покрыта только часть поверхности катода) зависит от материала катода и рода газа и не зависит от давления газа и тока (табл. 3-16).

Ширина области нормального катодного падения потенциала зависит от материала катода и рода газа. Зависимость от давления газа определяется соотношением .

Для нормального тлеющего разряда характерна пропорциональность между площадью катода, покрытой свечением, и током, т. е. постоянная (нормальная) плотность тока на катоде (табл. 3-17).

Нормальные плотности тока на катоде , при

При изменении давления газа р0 нормальная плотность тока изменяется по закону

где — нормальная плотность тока на катоде при ; — постоянная, зависящая от геометрии электродов и рода газа. При плоских электродах обычно (для Ne=1,5).

Когда при увеличении анодного тока вся поверхность катода покрывается свечением, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением плотности тока. Такое катодное падение называется аномальным катодным падением потенциала, а сам разряд называется аномальным тлеющим разрядом.

При аномальном тлеющем разряде увеличение плотности тока сопровождается уменьшением ширины участка катодного падения потенциала.

На рис. 3-27 приведены рассчитанные теоретически универсальные кривые зависимости аномального катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения потенциала от плотности тока . Их совпадение с экспериментальными данными удовлетворительно для инженерных расчетов.

Рис. 3.27

Прикатодные области разряда 1-4 (рис. 3-26), в которых сосредоточено катодное падение потенциала, являются жизненно необходимыми для существования тлеющего разряда. Участки 5 (фарадеева темная область) и 6 (столб разряда) являются пассивными участками разряда с хорошей электропроводностью, связывающими анод с катодными областями разряда.

В столбе разряда газ находится в сильно ионизированном состоянии, причем концентрации электронов и ионов примерно равны, т. е. объемный заряд компенсирован. Газ, находящийся в таком состоянии, называется плазмой.

При сближении анода с катодом сокращается, а затем исчезает столб разряда.

Дальнейшее сближение электродов на некоторое критическое расстояние приводит к исчезновению анодных участков разряда. При этом падение напряжения на разряде уменьшается на величину анодного падения потенциала, примерно равную ионизационному потенциалу газа.

Дальнейшее сближение электродов приводит к исчезновению фарадеевой темной области. Затем начинает исчезать тлеющее свечение. При этом падение напряжения на приборе резко возрастает (затрудненный разряд).

Зависимость относительных значений катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения от относительного значения плотности тока при аномальном тлеющем разряде.

ГЛАВА 2. Основные виды электрического разряда

3. Тлеющий разряд постоянного тока. Особенности катодных областей тлеющего разряда

Для тлеющего разряда постоянного тока характерно наличие двух резко различающихся участков: небольшой по протяжённости катодной области, в которой имеется большое падение потенциала, и положительного столба, представляющего собой собственно плазму. На рис. 1 показаны основные области тлеющего разряда и распределение потенциала по длине разрядного промежутка.

Рис. 1. Структура и распределение потенциала в тлеющем разряде: 1 — астоново тёмное пространство; 2 — катодное свечение; 3 — круксово тёмное пространство; 4 — тлеющее свечение; 5 — фарадеево тёмное пространство; 6 — положительный столб; 7 — анодное тёмное пространство; 8 — анодное свечение

Электроны, покидающие катод под действием бомбардировки положительными ионами, имеют малые начальные энергии. Поэтому в непосредственной близости от катода процессы возбуждения и ионизации малоэффективны, результатом этого является темная область малой толщины (1). По мере движения в поле катодного падения потенциала энергия электронов увеличивается и там, где она становится достаточной для возбуждения молекул газа, возникает катодное свечение (2). На некотором расстоянии от катода (в пределах тлеющего свечения) энергия электронов оказывается достаточной для ионизации атомов, потенциал ионизации которых обычно превышает потенциал ионизации молекул. Однако с ростом вероятности ионизации увеличение энергии приводит и к уменьшению вероятности возбуждения, поэтому после катодного свечения наблюдается сравнительно тёмное круксово пространство (3). Внешняя граница этого круксова пространства примерно совпадает с границей катодного падения потенциала. Кривая распределения потенциала имеет в этой области максимум, а напряжённость поля падает до нуля.

Поскольку в катодной области имеется объёмный заряд, при ее описании необходимо исходить из уравнения Пуассона:

Сложный характер изменения напряжённости электрического поля по длине катодной области затрудняет решение уравнения Пуассона, поэтому в простейшем случае применяется линейная аппроксимация зависимости . В последнем случае напряжённость поля на катоде можно выразить через величину катодного падения потенциала ( — ширина участка катодного падения потенциала), а . Уравнение Пуассона принимает вид

где — плотность тока ионов на катод и — плотность тока электронов с катода. Учитывая, что электроны выбиваются из катода под действием ударов положительных ионов, можно записать , при этом с учетом и уравнение (3) может быть приведено к виду

Чтобы исключить величину , воспользуемся тем, что в катодной области выполняется условие . Подстановка этого выражения в (4) позволяет получить зависимость от , которая представлена на рис. 2,а. Константы и , входящие в масштабы вертикальной и горизонтальной осей, зависят от рода газа, материала катода и выражаются следующими формулами:

где и — коэффициенты уравнения Таунсенда, а — давление газа.

Рис. 2. Вид теоретической (а) и реальной (б) ВАХ катодной области тлеющего разряда постоянного тока

Переход от зависимости к реальной вольт-амперной характеристике катодной области путём умножения плотности тока на площадь катода возможен лишь для правой части кривой рис. 2а, которая соответствует режиму полного покрытия катода свечением. При некотором значении тока на катоде устанавливается плотность тока и катодное падение потенциала снижается до минимальной величины . Дальнейшее уменьшение катодного тока ведёт не к уменьшению плотности тока, а к уменьшению площади катода, покрытой свечением, при этом плотность тока и катодное падение потенциала остаются неизменными. Действительная ВАХ показана на рис. 2, б. Участок «аb» характеристики соответствует нормальному тлеющему разряду, а участок «bс» — аномальному. Для нормального тлеющего разряда характерны постоянные по величине плотность тока на катод и нормальное катодное падение потенциала. Величина зависит от рода газа и материала электрода. Для каждой комбинации газ — материал катода существуют также определённые значения и , которые в области нормального тлеющего разряда постоянны. В аномальном разряде закономерности сложнее и выводы теории хуже совпадают с экспериментом. Поэтому обычно пользуются эмпирическими формулами вида

где — эмпирические постоянные, зависящие от рода газа и материала катода.

Начиная с правой границы области (3), резко изменяется характер движения электронов и ионов. Если на участке катодного падения потенциала заряженные частицы двигаются в сильном электрическом поле в осевом направлении, то в области сильно ионизированного газа и практически отсутствующего электрического поля движение их преимущественно хаотическое. На беспорядочное движение накладывается направленное диффузионное движение электронов и ионов, что приводит к возникновению небольшого участка тормозящего электрического поля в области тлеющего свечения (4) и фарадеева тёмного пространства (5). Частые потери энергии на ионизацию и отсутствие ускоряющего поля приводят к уменьшению средней энергии электронного газа. На внешней границе круксова пространства ионизации почти нет, однако энергия электронов ещё достаточна для возбуждения молекул газа, поэтому визуально наблюдается область тлеющего свечения. Характер свечения в этой области по мере удаления от катода становится всё более длинноволновым и постепенно свечение исчезает. Происходит переход к области фарадеева тёмного пространства, где энергия электронов столь мала, что большинство из них соударяется с атомами упруго, а возбуждения и ионизации почти нет. В процессе диффузионного движения часть электронов и ионов рекомбинирует на стенке. В связи с этим в фарадеевом тёмном пространстве концентрация зарядов в направлении анода уменьшается, что вызывает появление продольного градиента потенциала. Продольный градиент потенциала сообщает электронам дополнительную скорость, что приводит к появлению ионизации, компенсирующей гибель зарядов на стенке.

За областью Фарадеева тёмного пространства образуется остов или положительный столб разряда, простирающийся до анода — это область однородной стационарной неравновесной плазмы (6). Основным условием существования стационарной плазмы является поддержание постоянной во времени концентрации частиц. Баланс числа заряженных частиц определяется балансом энергии, которая поступает в плазму от электрического поля. Часть этой энергии расходуется на ионизацию атомов или молекул газа, которая компенсирует гибель заряженных частиц на стенках, а величина напряжённости поля в положительном столбе устанавливается такой, чтобы обеспечивалось поддержание баланса процессов ионизации и рекомбинации. Положительный столб в осевом направлении может быть однородным или слоистым. Слоистый столб представляет собой ряд светящихся областей (страт), бегущих или неподвижных, которые разделены тёмными промежутками.

Характерный для положительного столба разряда баланс заряженных частиц нарушается около анода. В прианодной области уход положительных ионов по направлению к катоду не компенсируется приходом их и со стороны анода возникает объёмный отрицательный заряд, соответствующий анодному падению потенциала (области 7 и 8).

В настоящее время тлеющий разряд постоянного тока не находит широкого технологического применения в производстве изделий электронной техники. Областями его использования являются процессы напыления металлических пленок (в диодных и триодных системах), а также некоторые специальные (спектроскопические, аналитические) приложения, где он служит инструментом атомизации твердых веществ. В связи с тем, что теория тлеющего разряда постоянного тока хорошо разработана, он является удобным модельным объектом для исследования кинетики и механизмов плазмохимических процессов.

Читайте также  Картинки стыд
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector