Дуговой разряд с накалённым катодом

Дуговой разряд с накалённым катодом — несамостоятельный дуговой разряд, в котором основным источником электронов является термоэлектронная эмиссия, для чего катод искусственно разогревается от вспомогательного устройства. Электроны, испускаемые накалённым катодом, способствуют возникновению и горению разряда. Почти все напряжение между его электродами приходится на область вблизи анода, а остальное пространство камеры заполняется однородной светящейся плазмой, имеющей почти потенциал анода. Дуговой разряд данного типа позволяет получать однородную газоразрядную плазму с высокой плотностью в объемах до нескольких кубических метров. Заметим, что данный разряд является источником неравновесной плазмы, то есть температура электронов составляет десятки тысяч градусов в то время как температура ионов и нейтральных атомов остается комнатной.

Накалённый катод

Дуговой разряд с накаленным катодом

Электрическая схема

Электрическая схема дугового разряда с накаленным катодом

Механизм

Испущенные накаленным катодом электроны вылетают из тонкого катодного слоя с почти одинаковыми скоростями и ионизуют газ, образуя плазму, которая заполняет остальной объем. Ионизации осуществляется прямыми и ступенчатыми ударами. Плазма взаимодействует с катодным слоем таким образом, что в слой из плазмы поступает столько ионов, сколько необходимо для поддержания стационарного режима разряда.

На катоде любой дуги происходят типичные для неё процессы, обеспечивающие большой разрядный ток. В дуге с накаленным катодом таким наиболее важным процессом является рассеивание положительными ионами отрицательного объемного заряда, порождаемого вблизи катода термоэлектронами.

В приборах, использующих дуговой разряд, линейные размеры электродов, разрядного промежутка и сосуда выбираются обычно одного порядка, благодаря чему не развивается положительный столб. Поэтому целесообразно принять, что дуга построена из двух взаимодействующих между собой простейших форм разряда: тонких слоев, покрывающих стенки трубки и электроды, и плазмы, заполняющей остальной объем разряда.

В слое, покрывающем электрод, возникает сильное электрическое поле, вызванное действием нескомпенсированных объемных зарядов, которые экранируют возмущение, вносимое в плазму электродом. Это возмущение не простирается дальше толщины слоя катодного слоя Распределение потенциала φ и поля E в слое рассчитывается по уравнению Пуассона:

$-\nabla ^{2}\varphi =\mathrm {div} E=4\pi e_{0}(n_{p}-n_{e})$,

Где $n_{p}$ и $n_{e}$ — концентрация электронов и ионов. В зависимости от природы слоя в нем возможно как $n_{p}\gg n_{e}$, так и $n_{e}\gg n_{p}$ . В целом же плазма квазинейтральна, и в ней градиент потенциала значительно меньше среднего поля в слое.

Явления, протекающие вблизи катода, существенно зависят от величины разрядного тока по сравнению с током эмиссии (током насыщения), который при неизменной температуре может создать катод без влияния внешнего поля.

Режим работы катода называется свободным, если разрядный ток не превосходит тока эмиссии, и несвободным, когда превосходит.

Распределение потенциала в катодном слое в свободном режиме

В свободном режиме эмиссионная способность катода используется не полностью. Это объясняется тем, что вблизи катода потенциал проходит через минимум, обладая меньшим значением, нежели потенциал катода, отчего часть электронов, которые покидают катод с достаточно малыми скоростями, не могут прорваться через минимум потенциала в плазму и возвращаются обратно на катод. Электрическое поле в катодном слое обращается в нуль дважды — в минимуме потенциала (точка A) и на границе слоя с плазмой (точка B). Таким образом, расчет катодного слоя в свободном режиме сводится к интегрированию уравнения Пуассона при заданных потенциалах катода, границы плазмы и краевых условиях $E_{A}=0$, $E_{B}=0$.

В предельном случае, когда разрядный ток равен току эмиссии, электрическое поле не способствует, но и не препятствует выходу электронов из катода, минимум потенциала исчезает, на поверхности катода поле обращается в нуль и все электроны, испущенные катодом, проходят в плазму.

При несвободном режиме разрядный ток может в несколько раз превосходить ток эмиссии. Это обстоятельство приводит к предположению, что в данном случае начинают сказываться такие явления, как разогрев катода, эффект Шоттки и вырывание электронов положительными ионами.

Катодное падение потенциала несколько больше, чем в случае свободного режима, минимум потенциала вблизи катода отсутствует, а электрическое поле обращается в катодном слое в ноль только на границе с плазмой.

Вольтамперная характеристика

Внешние проявления, механизм разряда сильно зависят от условий его существования: давления и чистоты газа, силы тока, формы баллона, сопротивления во внешней цепи и т. п. Рассмотрим вольтамперную характеристику дуги при давлении > 0,1 мм.рт.ст.

Схематическое изображение вольтамперной характеристики дугового разряда с накалённым катодом

Всю характеристику можно разбить на несколько частей, соответствующих различным токам.

В области токов 1 напряжение дуги ниже потенциала ионизации $U_{i}$, и происходит чисто электронный разряд в газе (с упругими соударениями).

Когда напряжение дуги превосходит потенциал ионизации, разрядный ток резко возрастает (область 2), а напряжение дуги меняется довольно мало. В газе происходят в основном прямые ионизирующие соударения.

При дальнейшем росте тока (область 3), напряжение дуги резко уменьшается. Здесь происходит заметная ступенчатая ионизация, благодаря чему ионизирующая способность каждого электрона возрастает.

В четвертой области напряжение дуги очень слабо зависит от величины разрядного тока, оставаясь почти неизменным.

При дальнейшем увеличении тока в пятой области происходит увеличение напряжения, и в шестой области разряд переходит в с самостоятельный.

В областях 3 и 6 дуга обладает падающей характеристикой и её сопротивление отрицательно. В третьей области при давлениях от 0,3 мм рт. ст. и выше иногда наблюдаются релаксационные, несинусоидальные колебания напряжения дуги.

При более низких давлениях эти колебания не возникают, но появляются более высокочастотные плазменные колебания ($f=10^{6}$ Гц), которые происходят также и в области 4, где их интенсивность падает по мере приближения к току эмиссии Iem.

Если постепенно понижать температуру T катода и тем самым уменьшать ток эмиссии, сохраняя неизменным давление газа, то область 4 будет уменьшаться и перемещаться по характеристике вверх (на рисунке $T_{1}<T_{2}<T_{3}$).

Применение

Несамостоятельный дуговой разряд с накаленным катодом используется для поверхностной обработки изделий: плазменной очистки, травления, активации и др. В прошлом дуговой разряд с накаленным катодом широко использовался в мощных газоразрядных электронных приборах: тиратронах, игнитронах, газотронах.

См. также

• Плазма
• Газовый разряд
• Дуговой разряд
• Термоэлектронная эмиссия

Литература

• Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. — 1971.
• Винтизенко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль Н.Н., и др.,. Дуговые разряды низкого давления с полым катодом и их применение в генераторах плазмы и источниках заряженных частиц // Известия высших учебных заведений, Физика, №9,. — 2001.