Физика тлеющего разряда

  • 4.2.2 Переносчики тока в темном катодном пространстве

  • Скачать 51.62 Kb.


    Дата14.05.2019
    Размер51.62 Kb.
    Типреферат

    Скачать 51.62 Kb.

    Список обозначений

    разряд тлеющий электрод

    ФТП, ФП - фарадеево темное пространство

    КТП - катодное темное пространство

    ОС - отрицательное свечение

    ПС - положительный столб

    АТП - анодное темное пространство

    КС - катодное свечение

    АС - анодный слой

    ТР - тлеющий разряд

    гp - число электронов, вылетающих из катода под действием положительных ионов, отнесенное к числу ионов, приходящих на катод;

    гн - квантовый выход фотоэффекта в электронах на падающий квант частоты н;

    jeg -[А/см2торр2] плотность электронного тока в отрицательном свечении.

    np, n+ [эл./см3]- концентрация ионов

    ne [эл./см3]- концентрация электронов

    Vз, [В] - потенциал зажигания

    б - коэффициент ионизации (среднее число ионов одного знака, производимое электроном на своем пути)

    в - коэффициент, характеризующий ионизирующую способность положительных ионов

    г - коэффициент, определяющий отношение числа электронов, эмитируемых поверхностью катода, к числу приходящих на катод ионов

    Е [В/см]- напряженность электрического поля

    d, [м]- расстояние от катода

    dс, lc, [м]- длина катодной области от катодного до анодного конца второго темного пространства

    je [A]- электронный ток

    jp , j+ , jx+ [A]- ионный ток

    д - коэффициент эффективности плазмы

    Te, [K]- электронная температура

    Tg, [K]- температура нейтральных молекул газа

    Тn, [K] - температура ионов

    p [мм. рт. ст; торр] - давление газа

    Vc, Uc [В]- катодное падение напряжения

    Da - коэффициент амбиполярной диффузии

    LD , [м] - дебаевский радиус

    с, [Кл•см3] - объемный заряд


    Введение



    Обосновать актуальность темы для науки и (плазменных) технологий

    В настоящее время интерес к низкотемпературной неравновесной плазме газовых разрядов низкого давления, классическим примером которых служит тлеющий разряд, не ослабевает. Он относится к наиболее изученным и часто применяемым на практике газовым разрядам. Он применяется в микроэлектронных технологиях (травление, напыление, осаждение тонких металлических пленок и т.д.) [1, 2, 3]. Положительный столб тлеющего разряда используется в качестве источника света. Примером этого служат лампы дневного света, которые не только дают очень приятное “естественное” освещение, но и значительно (в 3-4 раза) экономичнее лампочек накаливания; рекламные трубки. Важные области применения находят эксимерные, ультрафиолетовые и галогенные лампы [4, 6 - 9]. Эксимерные и эксиплексные лампы (эксилампы) используются для организации различных фотопроцессов, например, таких как:

    - нанесения тонких металлических пленок;

    - фотоосаждения аморфных полупроводников;

    - фотоосаждения тонких диэлектрических слоев;

    - фототравления полимеров;

    - обеззараживания жидких и воздушных сред;

    - низкотемпературного окисления органических веществ [5].

    Кроме того, есть другие не менее важные области применения тлеющего разряда - ионные источники [10, 11], работа плазменных генераторов [12], электронных пушек [13], очистка алмазов [14, 15], ионная цементация [16], стерилизация медицинских инструментов[17], технология получения искусственных ворсистых материалов [18] и т.д. Диффузионная обработка в тлеющем разряде в настоящее время является наиболее перспективной, как позволяющая значительно экономить технологический газ и расход электроэнергии. Диффузионные установки с тлеющим разрядом используются для проведения процессов азотирования, цементации, силицирования и других видов химико-термической обработки из газовой фазы. К общим преимуществам применения тлеющего разряда относятся: высокий коэффициент использования электроэнергии (расход только на ионизацию газа и нагрев детали); уменьшение длительности процесса, за счет быстрого нагрева до температуры насыщения, увеличения активности газовой среды и поверхностного слоя [19].

    Объяснить интерес, важность данной темы для вашей специальности

    Важнейшее применение газовой среды тлеющего разряда получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света - газовых лазерах. При возбуждении газовой смеси электрическим током, возникает тлеющий разряд, который способствует электрической накачке активных сред [20]. Тлеющий разряд в поперечном потоке газа применяется в CO2 лазерах. На его основе реализуются высокие мощности генерации - около 5 kW с метра длины электродов [21].

    Показать, кто и где активно сейчас занимается данной темой

    В настоящее время активно ведутся исследования процессов в тлеющем разряде во многих институтах нашей страны. Это институт электрофизики УрО РАН в Екатеринбурге, физико-технический институт им. А.О. Иоффе в Санкт-Петербурге, институт общей физики РАН в Москве, Московский энергетический институт, институт теплофизики экстремальных состояний, институт сильноточной электроники г. Томска, а также институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в Новосибирске.

    Заострить внимание на задачах, решаемых сегодня

    В лаборатории оптических излучений института сильноточной электроники СО РАН были изучены и разработаны эксилампы нескольких типов. К настоящему времени достигнуты следующие показатели для эксиламп тлеющего разряда: плотности мощности до 200 мВт/см2 на молекулах KrCl*(l~222 нм), XeCl*(l~308 нм) и до 25 мВт/см2 на молекуле Cl2*(l~258 нм) [5].

    При исследовании пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока впервые получены упорядоченные структуры из протяженных цилиндрических макрочастиц (жидкий плазменный кристалл); измерены заряды пылевых частиц в широком диапазоне изменения их размеров; обнаружены самовозбуждающиеся пылезвуковые колебания.

    Выполнена серия экспериментальных исследований пылевой плазмы в стратах тлеющего разряда постоянного тока. Впервые получены упорядоченные структуры из протяженных цилиндрических нейлоновых частиц длиной 300 мкм, диаметром 15 мкм и 7.5 мкм. В отличие от обычно используемых в исследованиях сферических монодисперсных частиц, формирующих при определенных условиях плазменно-пылевой кулоновский кристалл, цилиндрические частицы, приобретающие в плазме большой объемный заряд порядка 5•105 электронов, образуют структуру, подобную жидкому кристаллу [22].

    Привести несколько конкретных примеров таких задач

    Исследование процессов поверхностной модификации полимеров в плазме тлеющего разряда. Предложен высокоэффективный процесс поверхностной модификации пленок поликарбоната (ПК) разных марок тлеющим разрядом с целью увеличения поверхностной энергии. Установлено, что обработка ПК приводит к захвату приповерхностным слоем низкоэнергетических электронов, инжектированных из плазмы. При этом установлена четкая корреляция между величиной возникающего в пленке поверхностного заряда и величиной поверхностной энергии обработанной пленки. Методами термостимулированной релаксации и деполяризации исследованы объемно-зарядовые процессы в обработанных пленках. Продемонстрирована применимость метода для получения долгоживущих полимерных электретов на основе поликарбонатных пленок и волокон, в частности, для получения высокоэффективных фильтрующих материалов [23]

    Выделить значимый, яркий результат, полученный в последнее время

    В последнее время тлеющий разряд нашел свое применение в широко распространенном направлении - нанотехнологиях. На смену электронно-лучевым трубкам приходят плазменные панели. Толщина такой панели всего 3,5 см. Трудно поверить, что такая плоская, почти лишенная толщины, конструкция способна заменить ящик более чем в полметра по длине, высоте и ширине. Масса панели также неприлично мала - менее 5 кг. Угол обзора 140 град. не уступает этому параметру телевизоров на кинескопах [24]. Разработками в этой сфере занимаются ведущие фирмы - NEC, Fujitsu и многие другие.

    Указать современные методы исследования

    Существует несколько основных методов исследования характеристик тлеющего разряда. Наиболее распространен метод зондов.

    Изучение распределения электрической силы при помощи зондов весьма затруднительно вследствие того, что зонд, находясь в потоке быстрых электронов, может заряжаться до потенциала, значительно превосходящего потенциал пространства. Виду этого Дж. Дж. Томсон предложил для такого рода измерений катодный пучок, который отклоняется при прохождении через соответственную область катодного пространства.

    Другой метод определения силы поля вблизи катода, предложенный Брозе, основан на измерениях смещения спектральных линий, когда испускающие их атомы находятся в электрическом поле [39].

    Остановиться на нерешенных проблемах

    Наиболее полно тлеющий разряд изучен в инертных газах и парах ртути [25]. Значительно меньше данных о разряде в электроотрицательных газах и воздухе [26], а также в различных технологических газах (трифторбромметан, хлорсиланы и др.).

    Сформулировать не менее пяти вопросов, которые отражали бы ваш интерес к теме

    Итак, что определяет различие процессов в разряде в молекулярных и атомарных газах? Какой диапазон давлений возможен для поддержания как нормального, так и аномального разряда? Какова роль положительных ионов в тлеющем разряде? Что такое анодные пятна и как они образуются? Какими процессами обусловлено поддержание баланса частиц в положительном столбе разряда? На эти вопросы я постаралась найти ответы в своем реферате.

    Остановиться на перспективах, которые открывает данная тема

    Наиболее перспективная область применения газовой среды тлеющего разряда, лежит в разработках нанотехнологий - это плазменные панели, ионные источники, более совершенные, более надежные и экономичные.

    Источники информации. Энциклопедии - 1; Словари - 0; Справочники - 0; Книги - 9; Статьи - 3; Результаты конференций - 0; Другие источники - 0.

    1. Основные характеристики тлеющего разряда


    1.1 Отличительные черты



    [Райзер, 1987, с. 358]: Тлеющий разряд - это самоподдерживающийся разряд с холодным катодом, испускающим электроны в результате вторичной эмиссии, главным образом под действием положительных ионов. Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя определенной толщины с большим положительным объемным зарядом, сильным полем у поверхности и значительным падением потенциала 100-400 В (и более). Оно называется катодным падением. Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. Если межэлектродное расстояние достаточно велико, между катодным слоем и анодом образуется электронейтральная плазменная область, где поле относительно небольшое. Серединную однородную часть ее называют положительным столбом. От анода он отделяется анодным слоем. Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока - наиболее ярко выраженный и распространенный пример слабоионизированной неравновесной плазмы, которая поддерживается электрическим полем. В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд существовать не может, положительный столб не является его неотъемлемой частью. Если в результате образования катодного слоя промежуток между электродами оказывается исчерпанным, столба нет. Но если не хватает расстояния на формирование должного катодного слоя, тлеющий разряд не загорается [Райзер, 1987, с. 355].

    1.2 Картина свечения. Характер процессов, обеспечивающих существование разряда



    Прежде чем переходить к описанию явлении, происходящих в различных областях тлеющего разряда, остановимся коротко на общем характере процессов, обеспечивающих существование самостоятельного разряда. Пространство между электродами состоит из визуально наблюдаемых чередующихся темных и светлых областей. Наблюдать эту картину проще при низких давлениях, когда слои растянуты по длине трубки. Слоистая картина схематически изображена в верхней части рисунка (Рис 1.1) [Райзер, 1987, с. 356].

    Из катода эмиттируются электроны вследствие бомбардировки его поверхности ионами, ускоренными сильным полем вблизи катода, и быстрыми атомами, а также вследствие фотоэффекта, возникающего благодаря излучению атомов в разряде. Эти электроны, ускоряясь в направлении анода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. Новые электроны, возникшие при ионизации газа, снова ускоряются полем, а положительные ионы летят к катоду и, падая на его поверхность, вызывают эмиссию новыx электронов.

    Если условия ионизации газа в катодных частях и возникновения электронов из катода таковы, что каждый эмиттируемый катодом электрон производит столько актов ионизации и возбуждения атомов, что в результате фотоэффекта и бомбардировки катода ионами и атомами возникает новый электрон с катода, то имеет место динамическое равновесие вновь возникающих зарядов и уходящих на катод или в положительный столб. Таким образом происходит самоподдержание процесса, разряд не зависит от посторонних источников ионизации, т. о. является самостоятельным. Роль положительного столба заключается в том, чтобы обеспечить замкнутую цепь тока в разряде. Если анод придвинут к катоду так близко, что остаются только катодные части, то замкнутая цепь тока обеспечена без положительного столба, условия регенерации заряженных частиц выполнены, и тлеющий разряд может существовать. При дальнейшем приближении анода разряд либо прекращается (гаснет), так как условия восстановления зарядов не выполнены, либо требует для своего существования более высокого анодного напряжения, при котором идут более интенсивно процессы, необходимые для самоподдержания разряда (затрудненный разряд) [Грановский, 1971. с. 294].

    Электроны покидают катод с небольшими скоростями, определяемыми работой выхода их из металла. Поэтому около катода свечение газа полностью отсутствует. Эта область носит название темного астонова пространства.

    Размеры астонова пространства в нормальном разряде в широких пределах не зависят также от тока, но с переходом к аномальному начинают уменьшаться с повышением силы тока и давления газа [Чернетский, 1969, стр.137]. На некотором расстоянии от катода электроны приобретают скорости, достаточные для возбуждения газа (возбуждения заканчиваются испусканиями атомами квантов света), и возникает тонкая светящаяся пленка, называемая катодной - сравнительно малосветящаяся область [Райзер, 1987, с. 356].

    Ионизации газа в этой области еще нет, так как вероятность при этих энергиях еще мала. Излучение имеет линейчатый спектр. На рис. 1.2. в логарифмическом масштабе показано распределение интенсивности свечения двух линий гелия с л=4471,47? и л=5875,62?. Ближайший к катоду максимум соответствует катодной светящейся пленке. Максимум свечения линий, характеризующихся более высоким энергетическим уровнем, расположен дальше от катода [Грановский, 1971, с. 294].

    После катодной пленки идет темное катодное пространство, также называемое темным круксовым пространством. (В иностранной литературе употребительны также термины: гитторфово пространство -- у немецких авторов и круксово -- у английских). В этой области свечение газа слабее, а напряженность электрического поля выше, чем в других частях разряда.[Энциклопедия, 2000. с. 19]: В нем электроны, потерявшие частично или полностью энергию на возбуждение в катодной пленке, разгоняются снова до скоростей, при которых становятся способными возбуждать, даже ионизовать газ. Эта область именуется областью отрицательного тлеющего свечения (ОС), которое затухает в направлении анода. Все пространство между катодом и отрицательным тлеющим свечением называется областью катодного падения потенциала.

    Здесь происходят процессы рекомбинации электронов с положительными ионами, а также квантовые переходы возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни [Чернетский, 1969, с. 138].

    [Рожанский, 1937, с. 256]: Катодное свечение (отрицательное или тлеющее) по мере удаления от катода становится все менее ярким и наконец переходит в область, более темную и занимающую довольно значительный объем. Эта область, называемая темным фарадеевым пространством (ФП), ясно видна и при больших давлениях. По своим электрическим свойствам она резко отличается от катодного темного пространства и представляет как бы постепенный переход к следующей области, отличающейся значительной яркостью, иногда большим протяжением. Эту часть разряда мы будем называть положительным столбом (ПС). [Энциклопедия, 2000, с. 19]: ПС светится однородно или имеет слоистую структуру в виде неподвижных или движущихся вдоль оси разряда слоев -- страт. Вблизи анода расположен тонкий слой объемного заряда, называемый анодным слоем (АС). Такое разделение тлеющего разряда (ТР) на различные области базируется на давних традициях, в границы областей не всегда четко определены. Квазинейтральная плазма занимает ПС, ФТП, часть ОС и АС. К катоду, аноду и к боковым стенкам трубки прилегают слои объемного заряда. [Райзер, 1987, с. 357]: Спокойное, иногда слегка подрагивающее свечение тлеющего разряда завораживает своей красотой. Положительный столб обычно менее яркий, чем отрицательное свечение, и имеет другой цвет. В гелии катодное свечение красное, отрицательное свечение зеленое, положительный столб красно-фиолетовый; в неоне соответственно желтое, оранжевое, красный; каждый газ имеет свои окраски, что связано с особенностями спектров. В длинных трубках при не чрезмерно низких давлениях мы видим в основном положительный столб. В очень широких трубках или сферических сосудах положительный столб часто не виден. Лишь умозрительно можно себе представить, как протягивается токовый путь от отрицательного свечения до анода.

    1.3 Изменение условий



    [Райзер, 1987, с. 357]: При повышении давления все слои сжимаются и стягиваются к катоду. При p~100 тор кажется, будто горит сам катод, хотя это - отрицательное (тлеющее) свечение газа. Различается более протяженное фарадеево темное пространство, вся остальная часть трубки или канала занята положительным столбом. При повышенных давлениях столб сжимается к оси, при небольших - диффузно заполняет сечение трубки. [Рожанский, 1937, с. 255]: По мере уменьшения давления область катодного свечения все более удаляется от катода и занимает все больший объем. Темное катодное пространство становится ясно видным, и его толщина, т. е. промежуток между поверхностью электрода и более или менее резкой границей катодного свечения, увеличивается приблизительно обратно пропорционально величине давления газа. При достаточно малых давлениях газа, когда катодное темное пространство становится ясно видным, можно еще различить слой светящегося газа у самой поверхности катода, также отделенный в некоторых случаях от электрода совершенно темным промежутком. [Райзер, 1987, с. 357]: Если сближать электроды при постоянном давлении, сокращается положительный столб. Промежуточные области между столбом и катодом (их называют отрицательными), до поры до времени остаются неизменными. Они перемещаются вместе с катодом, если сдвигать именно этот электрод. Т.е., [Рожанский, 1937, с. 256] если при определенном давлении газа увеличивать длину разрядной трубки, то соответственно возрастает длина положительного столба, в то время как катодные части разряда остаются без изменения. Если сближать электроды, не изменяя прочих условий (давления и плотности тока), то положительный столб укорачивается, как бы поглощаясь анодом.

    [Райзер, 1987, с. 357]: Более того, если в широком сосуде с закрепленным анодом поворачивать катодный диск, все отрицательные слои поворачиваются вместе с ним, как будто они приклеены к его поверхности, а положительный столб искривляется, чтобы достичь анода. Так же получается и в сосудах сложной конфигурации. Отрицательные слои «приклеены» к поверхности катода, а положительный столб находит себе путь, чтобы соединить конец фарадеева пространства с анодом. По мере сближения электродов после столба «съедается» фарадеево пространство, потом отрицательное свечение. Когда не останется места хотя бы для катодного края последнего, разряд гаснет. Для поддержания его нужно повышать напряжение. Такой разряд называется затрудненным.

    Отметим, что при изменении расстояния между электродами продольные размеры прикатодных частей раз ряда при низких давлениях (до 1 мм рт. ст.) остаются неизменными. Длина же положительного столба может быть сделана сколь угодно большой, если только приложенное напряжение достаточно для поддержания разряда. С другой стороны, диаметр разрядной трубки сильно влияет на процессы, происходящие в положительном столбе. С уменьшением его повышается интенсивность ионизации в объеме, возрастает свечение столба и т. д. На прикатодные области влияние стенок, наоборот, незначительно, что объясняется преобладанием в них направленного движения частиц. [Чернетский, 1969, с. 138].

    1.4 Распределение параметров по длине

    [Райзер, 1987, с. 358]: С расположением слоев и распределением яркости свечения по длине трубки (Рис. 1.1) сопоставлены распределения основных параметров разряда: продольного электрического поля E?Ex, потенциала ц; плотностей электронов ne, положительных ионов n+, токов je, j+, объемного заряда с=e(n+- ne). Картина эта - качественная, но в достаточной мере достоверная. Она подтверждается зондовыми измерениями и теоретическими соображениями. Один из главнейших моментов в ней - большой пространственный заряд и сильное поле у катодов, которое почти линейно спадает до очень малой величины около катодной границы отрицательного свечения. Эта область называется катодным слоем, но уже не по такому внешнему признаку, как свечение, а по «объективным» признакам - распределению электрического поля.

    Далее следует зона очень слабого поля, оно иногда бывает даже слегка отрицательным, т.е. направленным к аноду. В фарадеевом пространстве продольное поле возрастает и потом остается постоянным на протяжении положительного столба. Последний может быть сколько угодно длинным, лишь бы хватало напряжения источника питания, чтобы обеспечить должную разность потенциалов в столбе. Постоянство осевого градиента потенциала в столбе, проверенного зондовыми измерениями, свидетельствуют об электронейтральности плазмы. Около анода имеется область небольшого анодного падения потенциала. [Райзер, 1987, с. 358]

    1.5 Качественная интерпретация картины свечения



    [13, стр. 358]:Из катода электроны вылетают с энергией порядка 1 эВ. Они не могут ни ионизировать, ни возбуждать. В первой области перед катодом поэтому нет свечения. Так появляется темное астоново пространство. (Рис. 1.1. «темное астоново пространство») Ускоряясь в поле, электроны (катодные или «первичные»)приобретают энергию, достаточную для возбуждения,-- возникает катодное свечение. Появляются даже два-три слоя катодного свечения. Они соответствуют возбуждению различных уровней атомов, ближе к катоду -- более низких, дальше -- более высоких. Цвета таких слоев различны. Потом энергия ускоряемых электронов переваливает за максимумы функций возбуждения, где сечения падают. Электроны перестают возбуждать атомы -- образуется темное катодное пространство. Здесь электроны преимущественно ионизируют атомы и происходит основное размножение. Рождающиеся ионы движутся в поле гораздо медленнее, и накапливается большой положительный объемный заряд. Ток переносится в основном ионами. [Энгель, 1935, с. 78]: Так как здесь в противоположность астонову пространству имеются быстрые электроны, то здесь все еще происходят процессы возбуждения. Катодное темное пространство поэтому значительно светлее, чем астоново.

    [Энгель, 1935, с. 78]: Величина скорости первичных электронов в катодном темном пространстве больше, чем величина ее в максимуме функции возбуждения, но все же меньше, чем в максимуме функции ионизации. Следовательно, в каждом темном пространстве происходит сильная ионизация; возникающие при этом электроны мы называем вторичными электронами. Только вторичные электроны, которые образовались достаточно близко к катоду, могут получить ускорение в сильном поле и вызвать со своей стороны третичную и так далее ионизации. В более же отдаленных от катода областях катодного темного пространства напряженность поля настолько понижена, что вторичные электроны могут получить только небольшие скорости. Первичные электроны также не могут уже покрыть за счет электрического поля те потери энергии, которые они претерпели при столкновениях с нейтральными газовыми молекулами; их движение заторможено. Поэтому их скорость приближается опять к максимуму функции возбуждения и наступает новое свечение, сменяющее катодное темное пространство, - отрицательное тлеющее свечение.

    В области отрицательного свечения имеются электроны не только умеренных энергий, хотя их большинство. Сюда попадают и энергичные электроны, которые родились в глубине катодного слоя и у катода и прошли зону катодного падения, не совершив многих неупругих столкновений. Они ионизируют атомы, и благодаря этому за катодным слоем получается повышенная плотность электронов, больше, чем в положительном столбе.[Райзер, 1987, с. 359]

    От границы тлеющего свечения далее в направлении к аноду тлеющее свечение постепенно затухает. Первичные электроны потеряли свою энергию, и поэтому при большем удалении от катода они могут производить лишь незначительное число возбуждений. Так как энергия первичных электронов сильно рассеивается при многочисленных столкновениях в области катодного падения, то происходит постепенное уменьшение яркости свечения возбуждения в области тлеющего свечения. Интенсивность свечения рекомбинации тоже должна вновь уменьшаться, так как, начиная от минимума напряженности поля вблизи границы тлеющего свечения, напряженность поля в направлении к аноду опять увеличивается и поэтому вероятность рекомбинации уменьшается. Тлеющее свечение, таким образом, исчезает, постепенно переходя в новую область - «фарадеево темное пространство».[Энгель, 1935, с. 79]

    В фарадеевом пространстве продольное поле постепенно нарастает до значения, свойственного положительному столбу. В столбе устанавливается характерное для неравновесной слабоионизированной плазмы хаотическое распределение электронов по скоростям, в которое вносит небольшую асимметрию дрейф к аноду. Средняя энергия электронного спектра в положительном столбе составляет 1--2 эВ. Но в спектре имеется и некоторое количество энергичных электронов. Они возбуждают атомы и обусловливают свечение столба. Анод ионы отталкивает, а электроны из столба вытягивает. Образуется область отрицательного объемного заряда и повышенного поля, ускоряющего электроны. Это приводит к анодному свечению [13, стр. 359].

    На рис. 1.3, [Энгель, 1935, с. 81], схематически представлено распределение скоростей и концентрации электронов вдоль длинного тлеющего разряда. На оси абсцисс отложено расстояние рассматриваемой точки от катода, на оси ординат - кинетическая энергия электронов в этом месте: густота зачернения служит качественной мерой концентрации. Далее, на оси ординат отмечены: энергия возбуждения Vа, энергия Vа`, относящаяся к максимуму функции возбуждения, и потенциал ионизации Vi..

    1.6 Направляющее действие зарядов, оседающих на стенках



    [Райзер, 1987, с. 359]: Опыт показывает, что разряд может гореть в трубке весьма замысловатой конфигурации. Электроны (и ионы), переносящие электрический ток, обязаны двигаться по газовому тракту, но вдоль силовых линий электрического поля. Между тем силовые линии приложенного внешнего поля протягиваются от анода к катоду своим собственным путем. Они сплошь и рядом пересекают стенки разрядной трубки. Как же идет ток?

    Дело в том, что заряды, преимущественно электроны, в начале процесса увлеченные силовой линией внешнего поля к диэлектрической стенке, оседают там и накапливаются до тех пор, пока не начинают отталкивать от стенки последующие заряды того же знака. Электростатическое поле осевших зарядов, складываясь векторным образом с внешним, направляет часть силовых линий результирующего поля вдоль доступного для зарядов пути вдоль трубки (Рис 1.4, б, в). Благодаря этому эффекту продольное поле в прямой трубке или в плоском канале становится более однородным по сечению. Поперечная (радиальная) составляющая поля в разряде все же присутствует. В частности, в длинном положительном столбе она однородна по длине и направлена от отрицательно заряженной стенки к оси. Эквипотенциальные поверхности в трубке выпуклы и обращены выпуклостью к катоду. Иногда можно заметить, что так выглядят граница между положительным столбом и темным фарадеевым пространством и страты. Границы отрицательных слоев у плоского катода обычно плоские, что, по-видимому, свидетельствует об отсутствии здесь поперечной составляющей поля. [Райзер, 1987, с. 360]

    1.7 Роль положительных ионов в тлеющем разряде



    Энгель, [1935, стр. 81]: Роль положительных ионов в тлеющем разряде заключается, вероятно, только в искажении поля положительным и пространственным зарядом и в освобождении электронов из катода. Так как напряженность поля в столбе при постоянном поперечном сечении его постоянна, то в столбе не должен возникать избыток зарядов одного знака. Таким образом, концентрация положительных ионов здесь должна быть равна сумме концентраций электронов и отрицательных ионов. Части тока, приходящиеся на долю положительных ионов и электронов, относятся между собой, как их подвижности; количество ионов, проходящих через любое поперечное сечение столба в единицу времени по направлению к катоду, составляет, таким образом, по порядку величины 1‰ количества электронов, проходящих в одинаковое время к аноду. Поэтому из макушки положительного столба в фарадеево темное пространство течет лишь слабый ионный ток. Так как в фарадеевом темном пространстве и в соседнем отрицательном тлеющем свечении ионы увлекаются дальше только очень слабыми полями, то их скорость здесь очень мала и поэтому концентрация больше, чем в столбе. Кроме того, в этой области первичные электроны создают дополнительные положительные ионы. Большая концентрация ионов и большая концентрация электронов вызывает процессы рекомбинации. Максимум концентрации ионов несколько сдвинут в сторону катода по отношению к максимуму концентрации электронов; при этом падение концентрации ионов в направлении к аноду происходит так же плавно, как падение концентрации электронов, в то время как в направлении к катоду падение концентрации ионов остается значительно большим, чем падение концентрации электронов. Вероятно, лишь небольшое количество ионов переходит из области тлеющего свечения в катодное темное пространство, так как здесь незначительны как движущие силы поля, так и падение концентрации и вместе с тем диффузионный ток. Наибольшее количество положительных ионов, достигающих катода, образуется поэтому уже в катодном темном пространстве. Максимум скорости ионов, попадающих на катод, соответствует катодному падению потенциала; большая же часть ионов имеет меньшие скорости. Таким образом, величина дополнительного падения потенциала между границей тлеющего свечения и анодом очень мало влияет на скорость ионов около катода.

    У поверхности катода большая часть разрядного тока переносится положительными ионами. Так как каждый ион освобождает из катода в среднем значительно меньше, чем один электрон, то количество электронов, покидающих катод, много меньше количества попадающих на него положительных ионов. Электронная доля тока здесь поэтому весьма мала. В этом отношении и в астоновом темном пространстве ничего не меняется, так как здесь еще не происходит новой ионизации. Но в первом катодном слое и, еще сильнее, в темном катодном пространстве соотношение все больше изменяется в пользу электронной доли тока. Соответственно уменьшается и количество летящих к катоду положительных ионов. У поверхности анода ток поддерживается исключительно электронами, если только анод не эмитирует положительных ионов вследствие высокой температуры или других причин. Рис. 1.1 качественно представляет описанные здесь соотношения. (График «Плотность токов») [Энгель, 1935, с. 82].

    2. Объяснение явлений тлеющего разряда с точки зрения элементарных процессов



    Структуру тлеющего разряда можно качественно однозначно и без противоречий объяснить при помощи элементарных процессов, описанных в [Энгель, 1935, с. 76]:

    Процессами образования заряженных частиц в тлеющем разряде являются освобождение электронов на катоде поступающими сюда положительными ионами и ионизация электронными ударами в газовом объеме. При этом ионизация происходит непосредственно, а не ступенями (ступенчатая ионизация заметно проявляется при больших плотностях тока, а также через метастабильные состояния в некоторых газовых смесях). Этим обоим процессам количественно уступают все остальные мыслимые способы образования ионов. Возможно, что некоторую роль играет также образование ионов и электронов в объеме гада вследствие ионизации быстро движущимися положительными ионами (например, в разрядах при высоком давлении).

    Среди движущихся через газовый объем заряженных частиц имеются такие, скорости которых зависят только от существующей в точке в наблюдения напряженности поля, между тем в других местах это движение представляет собой нечто среднее между свободным движением электронов в вакууме (катодного луча) и движением с постоянной скоростью в газе в электрическом поле. Часто движение частиц происходит почти исключительно вследствие разности концентраций, в качестве диффузионного тока: при этом отчасти даже против тормозящих электрических полей.

    Процессами уничтожения заряженных частиц являются главным образом отдача зарядов частиц электродам и накопление их с последующей нейтрализацией на стенках, ограничивающих заряд. В неблагородных газах при этом в некоторых областях разряда играет роль также и рекомбинация в объеме.

    Электроны, освобожденные из катода бомбардировкой положительными ионами, ускоряются в электрическом поле разряда настолько, что становятся способными ионизировать молекулы газа. Образовавшиеся при атом положительные ионы перемещаются в поле обратно к катоду и освобождают там новые электроны. Условие стационарности здесь, то же, что и для темного разряда: каждая заряжённая частица производит в среднем столько частиц противоположного знака, чтобы эти последние обеспечили равноценную замену первой частицы. Так, например, каждый электрон, освобожденный из катода ударом иона, должен образовать ударной ионизацией в газовом объеме непосредственно или через промежуточные процессы столько положительных ионов, чтобы эти ионы, появляясь на катоде, освобождали в среднем опять ровно один электрон. Если образуется больше ионов, то сила разрядного тока возрастает и наоборот (стабилизирующие процессы).



    3. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами




    В [Саенко, 1990, с. 10] говорится, что если электрическое поле между электродами разрядного промежутка становится большим, в межэлектродном пространстве начинают сказываться неупругие удары электронов с атомами, вследствие которых появляются возбужденные атомы, ионы и электроны. Наиболее активными частицами в разреженных газах по отношению к ионизирующей способности являются электроны. Образовавшиеся электроны будут ускоряться и, в свою очередь, ионизировать атомы газа, т. е. ионизация будет нарастать, подобно нарастанию снежной лавины при скатывании с горы.

    Для поддержания процесса развития электронных лавин необходимо, чтобы число электронов, выбитых из катода вследствие ионно-электронной эмиссии всеми ионами одной лавины, было не меньше одного исходного электрона. В этом состоит условие зажигания самостоятельного электрического разряда в разреженном газе и условие поддержания разряда в стационарном состоянии.

    Разряд, который существует без внешних ионизаторов, называется самостоятельным. Началу ионизации электронным ударом соответствует участок кривой BC. (Рис. 3.1.) При этом внешние факторы ионизации еще необходимы. С прекращением их действия прохождение тока также прекращается и разряд обрывается. В точке С напряжение достигает пробивного значения V3,(потенциал зажигания) ток скачкообразно возрастает на несколько порядков, пока не ограничится разрядным сопротивлением. На участке CD разряд характеризуется настолько слабыми возбуждением и ионизацией, что свечение и пространственный заряд практически отсутствуют, условия прохождения тока соответствуют простейшей теории лавин ионизации Таунсенда, поэтому эта форма разряда называется темновым, или таунсендовским, разрядом [Cаенко, стр. 11]. Такой самостоятельный разряд действительно наблюдается на опыте, в обычных трубках - при токах i~10-10-10-5 А. Из-за чрезвычайной малости газ совсем не светится. Ток регистрируют высокочувствительными приборами. [Райзер, 1987, с. 261]

    [Саенко, стр. 11]: В точке D ионизация возрастает настолько, что начинает сказываться появление положительного пространственного заряда у анода. Происходит это потому, что наибольшее число ионизации в лавине происходит как раз у анода, быстрые электроны за 10-8-- 10-9 с уходят на анод, а медленные ионы (их масса в тысячи и более раз больше массы электрона) под действием того же электрического поля медленно, за 10-5 -- 10-6 с, уходят на катод. Потому число ионов вблизи анода возрастает и потенциал пространства у анода повышается. Как следствие при мало меняющемся анодном напряжении V3 в промежутке «катод -- пространственный ионный заряд» электрическое поле возрастает, а в промежутке «пространственный заряд -- анод» ослабляется, т. е. меняется распределение потенциала пространства в разрядном промежутке так, что электрическое поле начинает сосредоточиваться у катода, а возле анода оно ослабляется.

    Для условий развития последующих лавин Таунсенда это равносильно уменьшению расстояния d между электродами. По условиям зажигания разряда уменьшение расстояния d должно приводить к зажиганию разряда при меньших анодных напряжениях. Следовательно, появление пространственного заряда в разрядном промежутке должно при водить к тому, что разряд будет поддерживаться при меньших Va. т. е. на вольт-амперной характеристике должен наблюдаться спад (участок DE). При этом формируется область прикатодного падения потенциала, а за ней положительный столб плазмы и возникает нормальный тлеющий разряд (участок EF). Ток разряда при этом составляет 10-6 - 10-1 А. [Саенко, 1990, с. 12]

    Нормальный тлеющий разряд обладает замечательным свойством. При изменении разрядного тока плотность его на катоде остается неизменной. Меняется площадь на катоде, в которую втекает ток [13, стр. 361]. Свечением покрыта (и эмиттирует электроны) только часть катода. С возрастанием тока «работающая» область катода увеличивается, и плотность тока сохраняется [Чернетский, 1969, с. 165].

    [Чернетский, 1969, с. 165]: Когда вся поверхность начинает эмиттировать электроны (это заметно потому, что она полностью покрывается свечением), разряд переходит в режим аномального. Число электронов, которое обеспечивает дальнейшее повышение тока, теперь уже не может возрастать из-за увеличения эффективной площади катода. Остается единственная возможность -- нужно, чтобы повысилась интенсивность ионизации в объеме. Но для этого необходимо, чтобы электроны, ускоряемые в катодном падении потенциала, имели большие скорости. Значит, требуется поднять напряжение на разрядной трубке. Таким образом, мы получаем возрастающий участок вольт-амперной характеристики.

    Поднимая напряжение с целью увеличения скорости электронов, одновременно сильнее ускоряем в катодном падении ионы, которые .все интенсивнее бомбардируют катод. Последний разогревается настолько, что возникает заметная термоэлектронная эмиссия. Катод уже способен выделять необходимое количество электронов без усиленной бомбардировки его ионами. Катодное падение потенциалов начинает уменьшаться. Можно уменьшить и общее напряжение, необходимое для поддержания разряда, который переходит в дугу спадающей характеристикой. Ток разряда дуги составляет 10-1 А и выше. [Чернетский, 1969, с. 136]

    Из [Саенко, 1990, с. 12] также узнаем, что рост числа и энергии ионов, бомбардирующих катод, не может продолжаться беспредельно. Вообще говоря, возможны два варианта. Если катод изготовлен из тугоплавкого материала, температура термоэмиссии ниже температуры испарения, он нагревается. Когда нагрев катода достигает температуры термоэмиссии, падение напряжения на разряде резко уменьшается, разряд переходит в термоэлектронную дугу (участок GK) Для поддержания термоэмиссии из катода не нужны высокие энергии ионов, достаточно их высокой плотности. [Саенко, 1990, с. 12

    Если катод изготовлен из легкоплавкого материала, вступает в действие иной механизм эмиссии электронов: в катоде возникают локально разогретые участки, называемые катодными пятнами. Наряду с термоэмиссией в них под действием сильного электрического поля ионов происходит автоэлектронная эмиссия электронов, для которой также не требуется большой энергии ионов, поступающих на катод, и напряжение на разряде снова падает до нескольких десятков вольт (участок KL). Развивается дуговой разряд с холодным катодом. Словом «холодный» обозначается интегрально низкая температура всего катода в целом, но не катодных пятен, где температура значительно выше температуры испарения. Механизм образования и функционирования катодных пятен окончательно не установлен. [Саенко, 1990, с. 12]

    4. Катодный слой



    4.1 Теория области катодного падения тлеющего разряда



    а) Предположение о возникновении и уничтожении заряженных частиц в области катодного падения. Предполагается, что в каждой точке области катодного падения электроны ионизируют с коэффициентом ионизации б, соответствующим напряженности поля Е, имеющей место в данный момент времени. При этом не принимается во внимание, что однозначное соответствие между б и Е имеется только тогда, когда Е остается до некоторой степени постоянным на расстоянии многих свободных пробегов электрона. Если электрон движется при убывающей напряженности поля, как это имеет место в области катодного падения, то б в действительности будет больше, чем это соответствует напряженности поля в данной точке. Фактически пространственный заряд и плотность тока будет таким образом, больше, чем это получается из расчета. Соответственно, будет меньше и действительное катодное падение, необходимое для образования достаточного числа ионов.

    Мы предполагаем, что положительные ионы не ионизируют в объеме газа (в=0), а освобождают электроны лишь при ударе о катод (г?0). При этом мы полагаем, что г зависит от материала катода и от природы газа и не зависит от скорости ионов. Нужно представить себе, что уничтожение заряженных частиц происходит путем передачи их заряда электродам. Рекомбинация в объеме газа, вероятнее всего, имеет второстепенное значение в виду большой напряженности поля и больших скоростей ионов и электронов.

    b) Предположение о движении заряженных частиц в области катодного падения. Скорость положительных ионов может быть вычислена из подвижности и напряженности поля. Но это годится только для достаточно обширных областей с однородной напряженностью поля. В действительности же скорость переноса меньше, если пройденные ранее напряженности поля были меньше, чем рассматриваемые в данный момент, и наоборот. Так как положительные ионы движутся к катоду через области с возрастающей напряженности поля, то их действительная скорость меньше, чем предположенная. Образованные ионизацией положительные ионы будут, таким образом, медленнее удаляться из области катодного падения к катоду и создадут пространственный заряд большей плотности. [Энгель, 1935, с. 85].

    c) Предположение о характере поля в области катодного падения. На рис. 4.1 вычерчен в увеличенном масштабе измеренный ход поля в области катодного падения, соответствующий рис.1.1. В большей части области катодного падения напряженности поля с большой степенью приближения линейно убывает с удалением от катода. Отклонения от линейного хода имеют место лишь в непосредственном соседстве с катодом и в конце области катодного падения. Действительный ход убывания напряженности поля в соседстве с катодом до сих пор экспериментально точно не установлен. Поэтому если пренебречь отступлениями в этой области, то это вовсе не должно означать грубого отклонения от действительности. Ход поля к концу области катодного падения отличается от линейного хода в областях с очень малой напряженностью поля, где вероятность ионизации уже очень мала, так что и здесь этим отклонением можно пренебречь. Принятое нами поле представлено на рис. пунктирной линией. Оно характеризует двумя величинами: расстояние d, на котором поле падает до значения 0, и напряженностью поля Е0 на поверхности катода. Величина d при этом приблизительно равна толщине области катодного падения, т.е. расстоянию от катода до границы тлеющего свечения. Однако действительная толщина области катодного падения больше, потому что экстраполяция хода поля, найденного непосредственными измерениями приводит к Е=0 только позади границы тлеющего свечении. В дальнейшем задается только лишний ход поля, но без задания Е0 и d. Пространственные заряды, ведущие к образованию этого поля, состоят исключительно из положительных ионов; отрицательные ионы исключаются, а электронным пространственным зарядом можно пренебречь вследствие большой подвижности электронов [Энгель, 1935, с. 85].

    4.2 Темное катодное пространство





    Определить границу темного катодного пространства по положению катодного свечения не всегда возможно. В некоторых газах, как Н2 и Не, резких очертаний катодное свечение не имеет ни с одной, ни с другой стороны. В этих случаях граница, отделяющая темное пространство от катодного свечения, определяется по резкому изменению силы поля, которая падает почти до нуля в катодном свечении и имеет очень незначительную величину в темном катодном пространстве. Другой способ заключается в измерении падения потенциала на трубке при разных расстояниях между катодом и анодом. Когда анод переходит границу катодного свечения при уменьшении расстояния, разность потенциалов начинает быстро расти, и начало этого возрастания очень близко соответствует границе темного пространства, определяемой визуальным способом. При нерезкой границе различные способы измерения катодного пространства могут дать различные результаты.

    Кроме длины темного пространства, важную роль играет катодное падение потенциала, т. е. разность потенциалов между поверхностью катода и границей катодного свечения. Это падение в некоторых случаях является главной частью разности потенциалов на электродах и измеряется сотнями вольт. По сравнению с ним падение в положительном столбе очень невелико при условии, что длина трубки не чрезмерно велика.

    Сила поля в темном пространстве достигает больших значений, она возрастает по направлению к катоду от нуля или почти от нуля на границе катодного свечения [Рожанский, 1937, с. 257].

    4.2.1 Ионизация газа и получение объемного заряда

    Для поддержания разряда необходимо, чтобы катод являлся источником электронов. В электрическом поле у катода электроны получают энергию, достаточную для ионизации газа. При пробеге внутри темного катодного пространства они ионизуют газ. Образующиеся электроны ускоряются полем и могут, в свою очередь, производить ионизацию, когда их энергия достигает нужной величины. Образующиеся положительные ионы движутся к катоду, но приобретают скорости значительно меньшие, чем скорости электронов. Вследствие этого их концентрация в темном пространстве больше концентрации электронов, и, следовательно, они создают положительный объемный заряд. Концентрация электронов почти всюду в темном катодном пространстве настолько мала, что, рассчитывая плотность объемного заряда, мы будем учитывать только концентрацию положительных ионов [Рожанский, 1937, с. 257].
    Ионы образуются по всей толще катодного пространства. Мы видели, что ионизация электронами зависит от скорости их и, строго говоря, должна быть различна в различных расстояниях от катода. Но, с другой стороны, число ионов, образуемых на 1 см пути, имеет максимум для электронов с энергией около 100 V, после чего она медленно убывает. Ввиду этого можно считать, что в большей части катодного пространства, где электроны имеют скорости большие, чем 100 V, ионизация приблизительно одинакова повсюду. Исключением является слой, непосредственно прилегающий к катоду, где электроны еще не получили нужной скорости. [Рожанский, 1937, с. 257]
    Размеры темного астонового пространства, в нормальном тлеющем разряде обратно пропорциональны давлению. Это означает, что на длине L при разных давлениях (но при прочих равных условиях), согласно закону подобия, должно откладываться одно и то же число средних свободных пробегов, на которых электроны набирают энергию, достаточную для возбуждения газа. Размеры астонова пространства в нормальном разряде в широких пределах не зависят также от тока, но с переходом к аномальному начинают уменьшаться с повышением силы тока и давления газа [Чернетский, 1969, с. 138]

    4.2.2 Переносчики тока в темном катодном пространстве

    Образующиеся в темном пространстве ионы, ударяясь о поверхность катода, вызывают испускание электронов. Так как вероятность выбивания электрона из металла меньше единицы, то число положительных ионов, достигающих катода, меньше числа электронов, вылетающих из катода. Таким образом у самой поверхности катода ток переносится преимущественно положительными ионами. Наоборот, у противоположной границы темного пространства, где скорости ионов очень малы, почти весь ток переносится электронами. [Рожанский, 1937, с. 257]