11 определение и характеристики тлеющего разряда. Дуговой разряд. Тлеющий разряд. Коронный разряд. Искровой разряд

Этому виду разряда соответствует область между падающими участками ВАХ. Ток здесь на три-четыре порядка больше, чем ток темного разряда (миллиамперы вместо микроампер). Поэтому количество генерируемых разрядом фотонов соответственно увеличивается, что позволяет наблюдать свечение средней интенсивности, определившее название разряда. Вместе с электронными лавинами и -процессами в тлеющем разряде проявляется новый фактор: объемный заряд положительных ионов повышает потенциалы точек пространства между электродами (рис. 3.2). Заряд становится существенным в результате значительного увеличения тока.

Рис.3.2. Распределение потенциала в плоскопараллельном промежутке без пространственного заряда (1) и при действии положительного (ионного) пространственного заряда (2). Обозначения: х – расстояние от катода, d – межэлектродное расстояние, d к - ширина области катодного падения потенциала

В электронных лавинах ионы и электроны образуются в одинаковом количестве (парами), однако пространственный заряд ионов значительно больше, чем электронов. Такое положение определяется тем, что скорость движения ионов к катоду много меньше, чем электронов к аноду. В результате ионы накапливаются в объеме в течение времени установления стационарного режима. В нем потоки ионов на катод и электронов на анод равны частоте ионизаций молекул в промежутке. Равенство потоков при малой скорости ионов обеспечивается тем, что после накопления в движении участвует больше ионов, чем электронов. Существенное превышение количества ионов в промежутке над количеством электронов определяет положительный знак суммарного пространственного заряда.

Потенциалы точек пространства под действием объемного заряда ионов возрастают, но не превышают потенциал анода (иначе электроны не смогли бы доходить до анода из-за тормозящего электрического поля). Как следствие, прикатодный участок графика распределения потенциала между электродами (рис. 3.2) идёт значительно круче, чем в случае малого пространственного заряда, а прианодный участок практически горизонтален. Почти все приложенное к промежутку напряжение сосредоточено в катодной области. Усиление объемного заряда с ростом тока проявляется в большем повышении потенциалов у катода и соответственно в уменьшении протяжённости области катодного падения потенциала (d к на рис. 3.2).

Перераспределение потенциала в промежутке с ростом тока (переход от прямой 1 к кривой 2) приводит к тому, что при x > d к развитие лавин прекращается, так как в этой области напряженность поля близка к нулю и ускорение электронов недостаточно для ионизации. Протяженность электронных лавин уменьшается (отd до d к ). В условиях правой ветви кривой Пашена это ведет к снижению напряжения, обеспечивающего самовоспроизводство носителей тока. В результате на ВАХ (рис. 3.1) появляется первый падающий участок, на котором с ростом тока необходимое для его поддержания напряжение уменьшается. Подобным образом объясняется и следующий далее возрастающий участок ВАХ: с увеличением тока значениеd к сокращается настолько, что произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена, и напряжение поддержания разряда растёт.

Между падающим и возрастающим участками ВАХ расположен сравнительно протяженный почти горизонтальный участок. Он соответствует «нормальному» тлеющему разряду и обусловлен интересной способностью разряда автоматически локализоваться на части поверхности катода. В начале участка площадь, занимаемая разрядом на катоде (далее –площадь свечения), мала, а с ростом тока она пропорционально увеличивается, так что плотность тока остается постоянной. В конце участка разряд занимает всю площадь катода. Постоянство плотности тока («закон Геля») определяет неизменность напряжения на участке.

Значение плотности тока разряд «выбирает» таким, чтобы величина произведения p d к соответствовала минимуму кривой Пашена (чтобы напряжение поддержания разряда было минимальным). В этом режиме на поддержание разряда затрачивается наименьшая мощность, что можно считать одной из причин локализации разряда.

Более детально последовательность процессов, определяющих «стягивание» разряда на части поверхности катода, можно представить следующим образом. В исходном состоянии при определенном значении тока разряд занимает всю поверхность катода, поэтому плотность тока и плотность пространственного заряда ионов сравнительно малы. Распределение потенциала близко к прямой 1 на рис. 3.2, а напряжение поддержания разряда велико и соответствует темному разряду. При неизменном токе случайно уменьшается площадь катода, занимаемая разрядом, что приводит к росту плотности пространственного заряда ионов и формированию области катодного падения потенциала с шириной d к , несколько меньшей межэлектродного расстоянияd. Сокращается протяженность электронных лавин и в соответствии с кривой Пашена уменьшается напряжение, необходимое для поддержания разряда.

В то же время напряжение между электродами сохраняется на исходном уровне, поскольку оно равно разности напряжения источника питания и падения напряжения на ограничительном резисторе, которое осталось прежним, поскольку прежним остался ток. В результате того, что напряжение на промежутке оказалось больше необходимого для поддержания разряда, коэффициент ионизационного нарастания становится больше единицы, ток увеличивается и падение напряжения на промежутке снижается, уменьшая коэффициентдо единицы. Это соответствует новому стационарному состоянию системы, но уже в условиях, когда площадь свечения меньше площади катода.

Далее процессы повторяются до того, когда произведение p d к по мере уменьшенияd к достигнет значения, соответствующего минимуму кривой Пашена. При этом площадь свечения будет такой, чтобы плотность пространственного заряда, определяющаяся плотностью тока, обеспечивала необходимую ширину области катодного падения потенциалаd к .

С ростом давления газа площадь свечения на катоде автоматически уменьшается, плотность тока возрастает, величина d к уменьшается, а произведениеp d к не изменяется. Как следствие, разряд по-прежнему расходует наименьшую мощность, а напряжение горения разряда (нормальное катодное падение потенциала) не зависит от давления газа. Оно определяется лишь родом газа и материалом катода:

где e = 2,7,А и В - константы, характеризующие ионизацию газа электронами. Значения нормального катодного падения потенциала для ряда случаев представлены на с. 44.

Плотность тока нормального тлеющего разряда (нормальная плотность тока ) определяется следующим соотношением:

где - подвижность ионов (см. с. 44), а- диэлектрическая проницаемость вакуума.

Поскольку подвижность обратно пропорциональна давлению газа, соотношение (3.2) можно представить в виде:

, (3.3)

где
- нормальная плотность тока при единичном давлении (см. с. 44), которая, как следует из соотношения (3.2), зависит от рода газа (коэффициентыА и В ) и материала катода (коэффициентγ ). Увеличение нормальной плотности тока с ростом давления перемещает правую границу горизонтального участка ВАХ вправо, поскольку в его конце разряд распространяется по всей поверхности катода, и ток равен произведению плотности тока на площадь катода (кривая 2 на рис. 3.1 правее первой).

Возрастающий участок ВАХ соответствует «аномальному» тлеющему разряду, при котором площадь свечения равна площади катода и с ростом тока увеличивается плотность тока. Напряжение, необходимое для поддержки разряда, повышается при увеличении тока в связи с тем, что растет плотность пространственного заряда, уменьшается ширина области катодного падения потенциала d к и произведениеp d к становится меньше величины, соответствующей минимуму кривой Пашена.

Приведённые выше упрощённые объяснения физических процессов базируются на том, что электродная система близка к плоскопараллельной (одномерной). Между тем в начале участка ВАХ, соответствующего нормальному тлеющему разряду, где площадь разряда на катоде мала, поперечный размер свечения может оказаться соизмеримым с шириной области катодного падения потенциала d к . В этом случае влияние пространственного заряда на распределение потенциала в промежутке определяется решением двумерной задачи. Потенциалы точек в разрядном канале оказываются ниже, чем в одномерном случае. Это можно интерпретировать как рост величиныd к , что сопровождается увеличением напряжения поддержания разряда с уменьшением тока. Такой разряд называется поднормальным тлеющим, поскольку он предшествует нормальному разряду.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

С увеличением тока аномального тлеющего разряда рост напряжения замедляется, и на ВАХ вновь появляется падающий участок (в амперном диапазоне). Напряжение снижается в результате того, что бомбардирующие катод ионы разогревают его до высокой температуры, достаточной для существенной термоэлектронной эмиссии. Формально можно считать, что за счет термоэмиссии растет число электронов, выходящих из катода, в расчете на один ион, поступающий на катод. Иными словами, можно считать, что увеличивается коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии . Как следствие, для поддержания тока требуется меньшее количество ионов, а значит – менее интенсивное развитие электронных лавин и менее высокое напряжение.

Температура катода при амперных значениях тока увеличивается значительно (до 3000 К и более), термоэмиссия становится основным механизмом выхода электронов из катода, а коэффициент приближается к единице (возрастает на 1 – 2 порядка). Поэтому напряжение поддержания разряда снижается очень сильно – от сотен вольт при аномальном тлеющем разряде до десятков вольт. Электронные лавины развиваются весьма слабо: на один электрон, выходящий из катода, приходится лишь несколько электронов, попадающих на анод, что приблизительно на порядок меньше, чем в тлеющем разряде. Соответственно уменьшается количество ионов, образующихся в каждой лавине. Однако количество лавин при большом токе велико и ионы обеспечивают разогрев катода до высокой температуры, несмотря на падение их энергии в результате уменьшения напряжения.

Напряжение поддержания разряда с ростом тока уменьшается приблизительно до потенциала ионизации газа. Более низкое напряжение невозможно, поскольку ионизация принципиально необходима для существования разряда. В ряде случаев напряжение становится ниже потенциала ионизации за счет ступенчатой ионизации молекул газа электронами или за счет ионизации атомов металла, испарившихся с поверхности катода.

Положение второго падающего участка ВАХ, соответствующего переходу тлеющего разряда в дуговой, существенным образом зависит от давления газа. С ростом давления начало участка сдвигается вправо по оси тока и вниз по оси напряжения. Иными словами, вправо и вниз сдвигается максимум ВАХ в области перехода тлеющего разряда в дуговой (кривая 2 на рис. 3.1 правее и ниже кривой 1). Эффект объясняется следующим образом. Для разогрева катода до определенной температуры требуется определенная мощность, выделяющаяся на катоде в результате ионной бомбардировки. Мощность пропорциональна количеству ионов (приблизительно – току разряда) и энергии ионов (приблизительно – анодному напряжению). С ростом давления газа ток перехода нормального тлеющего разряда в аномальный увеличивается. Следовательно, уровень мощности, достаточный для разогрева катода, достигается при меньшем напряжении, и начало участка спада на ВАХ перемещается вправо и вниз.

Такое перемещение при увеличении давления до некоторого значения, очевидно, приведет к тому, что напряжение перехода аномального тлеющего разряда в дуговой уменьшится до нормального катодного падения потенциала. Это означает, что нормальный тлеющий разряд перейдет в дуговой, минуя стадию аномального тлеющего разряда (без повышения напряжения). Дальнейшее увеличение давления приведет к тому, что в дуговой разряд сможет переходить нормальный разряд, занимающий лишь часть поверхности катода.

Положение участка ВАХ, соответствующего переходу нормального тлеющего разряда в аномальный, зависит от площади катода: с её увеличением участок сдвигается в сторону больших токов (кривая 3 рис. 3.1 правее кривой 2). В результате аномальный тлеющий разряд переходит в дуговой при меньшем напряжении. Можно предполагать и противоположное изменение напряжения перехода, поскольку для разогрева катода большей площади, очевидно, требуется большая мощность. На практике это не подтверждается, так как дуговой разряд обычно развивается с локализацией на части поверхности катода и до высокой температуры разогревается лишь небольшой участок катода (формируется «катодное пятно»).

Изложенный механизм существования дугового разряда действует только в случаях, когда катод выполнен из тугоплавкого материала (W, Mo, C, Nb, Ta). Если материал катода легкоплавкий (Hg, Al, Cu, Ni), то уровень термоэмиссии, необходимый для дугового разряда, достигается, как показывает расчет, лишь после плавления катода. Однако эксперимент показывает, что на легкоплавких катодах дуговой разряд может развиваться и без плавления катода (кроме ртути). Для него также характерны низкое, порядка потенциала ионизации, напряжение горения и большие, десятки и сотни ампер, величины токов.

Выход электронов из катода в таком разряде обеспечивается за счет автоэлектронной эмиссии. Необходимые высокие значения напряженности электрического поля при низком анодном напряжении достигаются в результате сильного уменьшения ширины области катодного падения потенциала d к (рис. 3.2). Сокращение этой области обусловлено стягиванием разряда на катоде в узкое пятно с резким увеличением плотностей тока и пространственного заряда ионов. В пятне интенсивно испаряется материал катода, что уменьшает длину свободного пробега электронов и облегчает ионизацию, поскольку потенциалы ионизации металлов в парообразном состоянии существенно (в 2 раза) меньше потенциалов ионизации газов. Пятно обычно хаотически перемещается по катоду.

Разряд в промежутке с катодом из тугоплавкого металла называют «термоэлектронная дуга», а в случае легкоплавкого катода – «автоэлектронная дуга» (по механизму выхода электронов из катода).

Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа (порядка 0,1 мм рт. ст.). Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: при уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает. Около катода образуется первое темное пространство 1, к которому прилегает ионный светящийся слой 2(тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 3, называемый фарадеевым или вторым темным пространством. За ним лежит светящаяся область 4, простирающаяся до анода, или положительный столб.

Искровой разряд, часто наблюдаемый в природе, -- молния. Молния -- это разряд между двумя заряженными облаками или между облаком и землей. Носителями зарядов в облаках являются заряженные капельки воды или снежинки.

Дуговой разряд можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникнет новая форма газового разряда, называемого дуговым. При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую электропроводность.

Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь резко различающиеся поверхности, т.е. один электрод -- очень большую поверхность, а другой -- очень малую. Так, например, коронный разряд можно легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки.

• 21. Эмиссионные явления и их применения
• 1. Термоэлектронная эмиссия -- это испускание электронов нагретыми металлами. С повышением температуры испускание электронов, растет и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т.д.
• 2. Фотоэлектронная эмиссия -- это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского).
• 3. Вторичная электронная эмиссия -- это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью, и «истинно» вторичных электронов -- электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами. Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

Явление вторичной электронной эмиссии используется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), применимых для усиления слабых электрических токов.

• 4. Автоэлектронная эмиссия -- это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке, конфигурация электродов которой (катод -- острие, анод -- внутренняя поверхность трубки) позволяет при напряжениях примерно 103 В получать электрические поля напряженностью примерно 107 В/м. При постепенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности катода примерно 105 --106 В/м возникает слабый ток, обусловленный электронами, испускаемыми катодом. Сила этого тока увеличивается с повышением напряжения на трубке. Токи возникают при холодном катоде, поэтому описанное явление называется также холодной эмиссией.
• 22. Работа выхода электрона из металла

Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большей кинетической энергией, могут вырываться из металла в окружающее пространство.

Работу, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум называют работой выхода. Она равна

где е -заряд электрона, -потенциал выхода. Работа выхода производится электронами - за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому понятно, что медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут. Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности загрязнения, следы влаги и пр. изменяют ее величину. Для чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электронвольт. Электрон проводимости может вылететь из какого-либо металла в том случае, если его энергия превышает работу выхода электрона из металла.

Один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Происходит при низкой темп-ре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде (

Напряжение горения Т. р. зависит гл. обр. от двух параметров: произведения р на расстояние l между электродами (pl) и плотности тока на катоде j.При токах 10-5-10-4 А осуществляется переход от тёмного разряда к нормальному Т. р., формируется характерная для него структура (рис.). В области катодного тёмного пр-ва 4 образуется значительный , приводящий к существенному перераспределению потенциала вдоль разрядной трубки. В этого заряда ускоряются эл-ны, к-рые эмитируются из катода под воздействием гл. обр. ударов положит. ионов (ионно-электронная эмиссия) и быстрых или метастабильных нейтр. атомов, а также в результате фотоэлектронной эмиссии и т. п. Эмитируемые эл-ны ионизуют в области катодного (отрицательного) свечения 5. Потеряв энергию, они, а также образовавшиеся вторичные эл-ны дрейфуют к аноду. В пределах фарадеева тёмного пр-ва 6 они «термализуются» и набирают энергию, достаточную для «термич.» возбуждения и ионизации атомов, далее образуется ярко светящийся положит. столб 7. Концентрация эл-нов в положит. столбе определяется динамич. равновесием процессов объёмной ионизации, объёмной рекомбинации и ухода заряж. ч-ц на стенки разрядной трубки (чаще за счёт амбиполярной диффузии). В положит. столбе обычно возникают , имеющие вид иногда неподвижных, но чаще быстро перемещающихся ярких поперечных полос - страт.

В диапазоне токов от 10-4 до 10-1 А горения и тока на катоде остаются постоянными, площадь катодного свечения постепенно увеличивается и занимает весь катод. При токах101-1 - 1 A T. p. приобретает аномальный хар-р: плотность тока на катоде и напряжение горения резко возрастают; при дальнейшем повышении тока анодное свечение скачком стягивается в малое яркое пятно, напряжение горения резко падает, структура столба, типичная для Т. р., исчезает, Т. р. переходит в .

Особой формой Т. р. явл. (катод имеет форму полого цилиндра или двух параллельных пластин), к-рый отличается от обычного Т. р. значительно большими плотностью тока и яркостью свечения. Приборы Т. р. используются в релейных и автоматич, устройствах, в счётной технике, как источники света и т. д.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

- электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамич. неравновесностью и квазинейтральностью возникающей плазмы. Эфф. темп-ра электронов в T. р. существенно выше темп-ры газа и электродов, термоэмиссия с к-рых отсутствует. T. р. делятся на 2 класса: самостоятельный и несамостоятельный (с внеш. ионизатором). Каждый из этих разрядов подразделяется на виды в зависимости от рода источника электрич. питания: импульсный, стационарный, переменного тока. Каждый вид T. р. может гореть в покоящемся газе и в потоке газа. Самостоятельные разряды отличаются геометрией: плоской и цилиндрической.

Наиб. подробно изучен T. р., горящий в стеклянных трубках, к-рый широко применяется в технике: лампы дневного света, разл. осветит. приборы, газовые лазеры малой и ср. мощности. T. р., горящий между плоскими электродами, используется в тиратроне и импульсных лазерах, T. р., горящий в потоке газа,- в плазмохим. реакторах и для накачки активной среды мощных непрерывных и импульсно-периодич. газовых лазеров.

Общие свойства. T. р. получил своё название из-за наличия на одном из электродов (катоде) т. н. тлеющего свечения (TC, рис. 1). Это свечение обусловлено большим падением потенциала в узком слое объёмного заряда вблизи катода. Вблизи анода также имеется тонкий слой объёмного заряда, наз. анодным слоем (AC). Остальная часть межэлектродного промежутка занята квазинейтральной плазмой. К зоне TC примыкает область фарадеева тёмного пространства (ФТП), переходящая в (ПС), к-рый является самостоят. частью разряда, не зависящей от др. слоев разряда.

Рис. 1. Внешний вид и напряжённости электрического поля в тлеющем разряде в трубке: 1 - катодный слой; 2- тлеющее свечение; 3- фарадеево тёмное ; 4 - положительный столб; 5 - анодный слой.

Толщина катодного слоя (КС) и его характерные времена весьма малы, поэтому он наиб. автономен и его свойства являются общими для большинства видов T. р. Наличие большого скачка потенциала на КС стационарного T. р. (200-400 В) обусловлено тем, что поле в КС должно обеспечивать интенсивную ионизацию и усиление ионного и электронного токов. Ширина КС d равна неск. длинам ионизации электроном атомов или молекул газа. Если ср. плотность тока на катоде меньше величины нормальной плотности тока j н, то TC покрывает лишь часть катода. При увеличении тока площадь, занятая током, увеличивается пропорционально току, а напряжение на КС постоянно и равно нормальному катодному падению. Это важное свойство T. р. наз. законом нормальной плотности тока. Гидродинамич. модель (Энгеля - Штеенбека) однородного вдоль катода КС постулирует, что величины U н и j н равны мин. напряжению и соответствующей ему плотности тока теоретич. вольт-амперной характеристики (BAX). Эта модель правильно описывает подобия законы, наблюдаемые экспериментально: j н /p 2 , pd н , U н зависят только от рода газа и материала катода. Однако количеств. совпадение теории с экспериментом носит скорее случайный характер. Постулат Энгеля - Штеенбека и закон нормальной плотности тока нашли подтверждение в рамках двумерных нестационарных гидродинамич. ур-ний, решённых численными методами (рис. 2).

Рис. 2. Распределение плотности тока на катоде в тлеющем разряде в азоте (расчёт) при давлении р = 5тор, межэлектродном расстоянии 1 см; а - при токе I =0,75 mА, б - при I =1,5 mA.

Аналогичные явления имеют место на аноде T. р. Электроны, выходящие из плазмы ПС, ускоряются на скачке потенциала AC и также, как и вблизи катода, производят ионизацию газа. Однако здесь не столь сильна, но она необходима, т. к. ионов с холодного анода отсутствует. В стационарном T. р. закон нормальной плотности тока проявляется в покоящемся газе, при отсутствии потока газа. Гидродинамич. модель плоского анодного слоя, учитывающая кинетич. эффекты, объясняет законы подобия: j н /p 2 , U н зависят только от рода газа. Неустойчивость плоского AC имеет теоретич. объяснение в рамках гидродинамич. ур-ний, в этом приближении структура стационарного анодного пятна определяется диффузией электронов.

Свойства др. областей T. p. (TC, ФТП и ПС) довольно сильно зависят от вида разряда. Рассмотрим их на примере классич. вида T. р.- разряда в трубке с электродами на концах.

T. р. постоянного тока в трубке. Поскольку толщина КС порядка длины ионизации, часть электронов, ускоряясь на катодном скачке потенциала, набирает энергию, равную этому потенциалу. В результате интенсивной ионизации газа этим пучком электронов в области TC образуется светящийся слой плазмы большой плотности. Величина электрич. поля здесь близка к нулю. По мере продвижения от области TC по направлению к аноду плотность плазмы падает из-за рекомбинации и амбиполярной диффузии, электрич. поле растёт, но ещё недостаточно для ионизации и возбуждения атомов (область ФТП). Далее, в области ПС электрич. поле достигает величины, при к-рой ионизация электронами, набирающими энергию в этом поле, становится существенной. Для электрич. поля в ПС справедлив закон подобия E/p=f(pR), вытекающий из равенства скоростей ионизации и потерь за счёт амбиполярной диффузии к стенкам (теория Шоттки). BAX ПС не зависит от тока, плотность плазмы пропорциональна плотности тока. Для молекулярных газов с ростом тока необходимо учитывать объёмной рекомбинации, приводящие к слабому росту напряжения на ПС, при дальнейшем увеличении тока происходит нагрев газа (для молекулярных газов). В атомарных газах при увеличении тока в первую очередь газ разогревается, плотность его уменьшается и, как следствие, уменьшается напряжение на ПС. BAX при этом падающая.

Электроны в ПС термодинамически неравновесны. Их эфф. темп-pa существенно превосходит темп-ру атомов и молекул и составляет 2-3 эВ. Это обстоятельство и однородность E/p в длинных трубках используются для создания инверсной населённости атомов и молекул в газовых лазерах.

Плоский самостоятельный T. р. Потребности практики в поддержании T. р. в больших объёмах привели к реализации плоских разрядов, где расстояния между боковыми стенками превышают межэлектродное расстояние L . Плоский разряд используют при средних (10-100 тор) и высоких (>100 тор) давлениях. Плоский T. р. сохраняет все осн. черты T. р. в трубке, однако область ФТП определяется балансом процессов амбиполярного дрейфа и рекомбинацией, а потери за счёт диффузии к боковым стенкам несущественны. Поскольку характерный размер ФТП L ф в этом случае не зависит от давления газа, T. р. оказывается существенно неоднородным и при ср. давлениях. Напр., для азота L ф [см ] =0,1/j . Вольт-амперная характеристика ФТП растущая:

В сильноточных разрядах повышенного давления все неоднородные области КС, AC, ФТП малы. При средних и высоких давлениях плотность тока на катоде существенно превышает плотности тока, используемые на практике. Для того чтобы избежать стягивания тока на катоде (см. Контракция газового разряда )и следующего за этим образования дуги, катод делят на секции, искусственно распределяя в среднем равномерно по катоду (рис. 3, а). Такой катод представляет из себя набор штырей, присоединённых через сопротивления к общей шине. При возрастании тока, стекающего на один штырь, напряжение на нём падает, что приводит к ограничению тока. Избежать контракции можно также за счёт поддержания разряда короткое (~1 мкс), чтобы неустойчивость не успела развиться, т. е. с помощью спец. системы питания реализуют импульсный T. р. Однако и в этом случае необходимо принимать спец. для однородного пробоя газа, т. плазменный катод, затем импульсный T. р. развивается в основном разрядном промежутке (рис. 3, б). Однородность квазистационарного и импульсного разрядов с секциониров. катодами зависит от расстояния между штырьками. Для стабилизации T. р. применяются также комбинир. T. р. и разряд переменного тока.

Рис. 3. Схемы возбуждения самостоятельного тлеющего разряда: а - импульсного, квазистационарного и стационарного разрядов в потоке газа, 1- анод, 2- штыри или узкие пластины для разряда в потоке газа, R б - балластные сопротивления; б- импульсного: 1- катодная пластина, 2- анод, 3- ёмкость вспомогательного разряда; в - ёмкостного самостоятельного разряда: 1 - диэлектрические пластины, 2 - электроды.

T. р. комбинированным и переменного тока. Хотя технически эти виды разряда отличаются весьма существенно, их роднит общность механизма протекания тока. В обоих разрядах ток течёт по рекомбинирующей плазме; ионизация осуществляется в течение короткого промежутка времени периодически с частотой, большей обратного времени рекомбинации. В т. н. комбинир. разряде ионизация происходит при подаче вспомогат. высоковольтных импульсов напряжения на штырьки. Осн. разряд поддерживается между катодом и анодом от источника пост. напряжения. Поскольку плотность плазмы не зависит от пост. напряжения, такой разряд в промежутке между импульсами является несамостоятельным. T. о., комбинир. T. р. состоит из 2 разрядов: самостоятельного и несамостоятельного.

В разряде переменного тока ионизация осуществляется в момент макс. напряжения на разрядном промежутке, остальное время такой T. р. также является несамостоятельным. Характерная особенность такого разряда - простота реализации секционирования катода: его покрывают изоляционным слоем с большой диэлектрич. проницаемостью (рис. 3, в), являющимся реактивным балластным сопротивлением. Использование такого балласта значительно повышает разряда по сравнению с разрядом пост. тока с активным сопротивлением (рис. 3, а). Механизм протекания тока в T. р. переменного тока существенно зависит от частоты источника питания и проводимости плазмы s. При низких частотах (10-100 кГц), когда w/4ps<<1, в каждом полупериоде происходит распад и формирование КС и AC. T. к. меньше времени рекомбинации плазмы, зона ФТП не успевает установиться в течение полупериода, поэтому низкочастотный T. р. более однородный по сравнению с T. р. пост. тока. При повышении частоты омический ток сравнивается с током смещения (w/4ps1). Это происходит прежде всего в КС, т. к. в нём s самая маленькая. Расчёты и эксперимент показывают, что и в этом случае на электродах ток может контрагировать. Здесь также проявляется закон нормальной плотности тока (см. выше). В таком разряде вблизи анода и катода образуются слои квазинейтральной плазмы повышенной плотности. Характерный размер этих слоев определяется амбиполярным дрейфом за счёт нарушения электронейтральности плазмы. Если межэлектродное расстояние L не превышает характерного размера приэлектродных слоев, то в ПС ионизация несущественна и BAX растущая: . Когда w/4ps>> 1 и замыкание тока КС и AC осуществляется токами смещения, необходимость в интенсивной ионизации отпадает, приэлектродные BAX обладают положит. дифференц. сопротивлением, и эти слои оказывают стабилизирующее влияние на разряд.

Несамостоятельный T. р. отличается от самостоятельного тем, что проводимость его поддерживается с помощью внеш. ионизатора (рис. 4). Поэтому важнейшей характеристикой T. p. E/p можно управлять в широких пределах и независимо от тока. Широко распространён несамостоятельный T. р., поддерживаемый пучком быстрых электронов (~200 кэВ). Чем больше ток пучка, тем выше разрядной плазмы. Структура несамостоятельного T. р. похожа на структуру самостоятельного T. р. На КС внеш. ионизация существ. влияния не оказывает, т. к. превосходит внешнюю. Этот слой может контрагировать, как и в самостоят. T. р. Однако характер контракции здесь иной. Разряд на катоде разбивается на пятен (рис. 5). Поскольку ПС несамостоятельного T. р. обладает большим положит. дифференц. сопротивлением, он оказывает стабилизирующее воздействие на КС и препятствует слиянию пятен. Как и в самостоят. разряде, контракция на катоде не возникает при использовании импульсов малой длительности (<= 1 мкс). В несамостоятельном T. р. пост. тока кол-во пятен пропорционально полному току. Внеш. ионизатор оказывает стабилизирующее влияние на AC, и анодным падением, как правило, можно пренебречь. Несамостоятельный T. р. может гореть в больших объёмах в широком диапазоне давлений и токов и используется для накачки мощных газовых лазеров.

Рис. 4. Схема возбуждения несамостоятельного разряда: 1 - анод; 2 - катод; 3 - электронный пучок.

Рис. 5. Светящаяся катода в несамостоятельном разряде; видны проводящие каналы, зарождающиеся на катодных пятнах.

T. р. в потоке газа наиболее важен для практич. применения. Поток газа прокачивают через разл. виды T. р. для того, чтобы увеличить охлаждение газовой среды. В покоящемся газе охлаждение за счёт теплопроводности часто оказывается недостаточным для практич. потребностей. Поток газа, проходя через разряд, ионизуется, и выносится потоком за пределы электродной системы. Кроме того, охлаждение потоком существенно изменяет температурное поле и соответственно величину E/N (N- концентрация нейтрального газа), последняя, в свою очередь, очень сильно влияет на проводимость самостоят. разряда. Часто используется схема поперечного разряда, когда вектор скорости потока газа нормален вектору напряжённости электрич. поля (рис. 3, 4). В таком разряде КС находится в глубине пограничного слоя и практически не отличается от КС T. р. в покоящемся газе. Весьма существенно поток изменяет свойства AC. Если поток ламинарный, то неустойчивость AC приводит к образованию на аноде полос, вытянутых вдоль потока. В турбулентном потоке наблюдаются хаотичное образование и размытие анодных пятен.

Поддержание фронта ионизации ПС T. р. при невысоких скоростях газа и давлениях возможно за счёт амбиполяр-ной диффузии, к-рая выносит плазму навстречу потоку. Без учёта рекомбинации и нагрева газа баланс плазмы определяется равенством скоростей ионизации и выноса плазмы потоком газа. Напряжение на разряде U не зависит от тока. При учёте рекомбинации BAX разряда U(j) - слабо растущая ф-ция, а при больших значениях тока, когда существен нагрев газа, U(j)- слабо падающая, неустойчивая. Остаётся неясным механизм поддержания в потоке газа ФТП, где нет ионизации. Возможно, здесь играют роль процессы амбиполярного дрейфа электронов из зоны TC. При пониженных давлениях в качестве катода используется охлаждаемая водой трубка, расположенная поперёк потока газа, анод - сплошная металлич. пластина. Для улучшения устойчивости такого разряда секционируют анод.

Рис. 6. Схема возбуждения комбинированного продольного разряда: 1 - катодный штырь; 2- анодная трубка; 3- диэлектрическая пластина; 4- электрод вспомогательного разряда.

Наряду с поперечным разрядом на практике применяют также продольный разряд, в к-ром электрич. поле направлено навстречу потоку газа (рис. 6). Для улучшения устойчивости этого разряда ионизацию создают с помощью повторяющихся высоковольтных импульсов, прикладываемых поперёк потока.

T. р. в электроотрицательных газах. В таких разрядах в целом сохраняется структура разряда в электроположит. газах. Наиб. существенно изменяются свойства ФТП, эта зона протяжённее, чем в обычном T. р., и может занимать весь разрядный промежуток. Важными здесь являются процессы рекомбинации положит. и отрицат. ионов.

Неустойчивости T. р., вызывающие и домены, можно приблизительно разбить на 3 больших класса: электродинамические, тепловые и доменные. Э л е к т р о д ин а м и ч е с к и е неустойчивости (упоминавшиеся выше) проявляются в виде шнурования тока на электродах в КС и AC и связаны с отрицат. дифференц. сопротивлением этих слоев. Во мн. случаях эти неустойчивости приводят к появлению т е п л о в ы х неустойчивостей из-за резкого увеличения скорости ионизации вследствие нагрева газа и его прорежения либо из-за возбуждения колебат. или электронных уровней молекул и атомов. На рис. 5 хорошо видно прорастание токового канала из катодного пятна в импульсном несамостоятельном T. р. Этот токовый канал может приводить к более быстрому замыканию межэлектродного канала по сравнению с неустойчивостью, однородной вдоль электрич. поля. Это связано с тем, что на головке канала может существенно усиливаться электрич. поле, как в обычном стримере, что приводит к ускоренному распространению канала. В T. р. в потоке газа такие шнуры выносятся потоком и снова возникают в межэлектродном пространстве. Они являются причиной низкочастотных (~кГц) колебаний.

Д о м е н н а я н е у с т о й ч и в о с т ь (см. Низкотемпературная плазма )в T. р. приводит к возбуждению высокочастотных (МГц) колебаний, связанных с образованием слоев с повышенным сопротивлением, бегущих вдоль электрич. поля. Из-за N -образной зависимости дрейфовой скорости электронов от поля могут возбуждаться домены, аналогичные доменам Тана в полупроводниках. В электро-отрицат. газах (имеющих отрицат. ионы) с увеличением E сильно растёт прилипания электронов, что приводит к возникновению неустойчивости. Эта неустойчивость во многом аналогична рекомбинационным доменам в полупроводниках. Домены большой амплитуды движутся от катода к аноду с большой скоростью (~ 10 6 см/с) и существенно изменяют нек-рые характеристики ПС T. р.: <E /p > и т. д.

По внеш. проявлению на доменную неустойчивость похожи страты. Однако они имеют др. природу и объясняются действием разл. механизмов усиления ионизации, напр. за счёт ступенчатой ионизации и электрон-электронных соударений.

Лит.: Браун С., Элементарные процессы в плазме газового разряда, [пер. с англ.], M., 1961; Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, M., 1971; Веденов А. А., Физика электроразрядных СО 2 -лазеров, M., 1982; Баранов В. Ю., Напартович А. П., Старостин A. H., Тлеющий разряд в газах повышенного давления, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т. 5, M., 1984; Велихов E. П., Ковалев А. С., Рахимов А. Т., Физические явления в газоразрядной плазме, M., 1987; Райзер Ю. П., Физика газового разряда, M., 1987; Голубев В. С., Пашкин С. В., Тлеющий разряд повышенного давления, M., 1990; Королев Ю. Д., Месяц Г. А., Физика импульсного пробоя газов, M., 1991. Г. Г. Гладуш.