Нормальный тлеющий разряд. Типы разрядов
Тлеющий разряд удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот ампер и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: при атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остается темной. При уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки.
Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части - катодное темное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд.
Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов - зондов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Тогда получается кривая распределения потенциала, изображенная на рисунке 5. Она показывает, что почти все падения потенциала в разряде приходятся на область катодного темного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала.
Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа. Следовательно, в катодном темном пространстве электроны движутся практически без соударения.
Катодное падение потенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.
Тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газоразрядных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощенного излучения в свою очередь начинают светиться. Такие трубки оказываются более экономичными нежели обычные лампы накаливания.
Газоразрядные трубки применяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придают очертания различных фигур и букв. Наполняя трубки различными газами, можно получить свечение разной окраски.
В лабораторной практике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так как вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлического налета на стенках трубки.
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.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
- Справочник технического переводчика
У этого термина существуют и другие значения, см. Разряд. Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии … Википедия
Самостоятельный электрический разряд в газе, отличающийся сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим катодным падением потенциала. Поддерживается электронной эмиссией с катода под действием ударов положительных ионов и фотоэлектронной … Энциклопедический словарь
тлеющий разряд - Glow Discharge Тлеющий разряд Один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд. В… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М. - самостоятельный электрич. разряд в газе, отличающийся сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим катодным падением потенциала. Поддерживается электронной эмиссией с катода под действием ударов положит. ионов и фотоэлектронной эмиссией … Естествознание. Энциклопедический словарь
тлеющий разряд - Электрический разряд, при котором электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основном величиной и расположением объемных зарядов, характеризуемый наличием катодного падения потенциала, значительно большего, чем ионизационный… … Политехнический терминологический толковый словарь
Книги
- Эмиттирующие наноструктуры «металл-оксид металла»: физика и применение , Алексей Коржавый. В монографии освещены важнейшие с точки зрения современного материаловедения вопросы формирования эмиссионных токов в наноструктурах «металл–оксид металла», активно используемых в качестве… электронная книга
Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть трубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.
Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов у катоду. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода.
В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки - страты, разделенные темными промежутками.
Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные , или катодные лучи .
Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления , т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.
Тлеющий разряд - самостоятельный электрический разряд в газе с холодными электродами при токах -5 -1 А, имеющий характерную структуру в виде чередующихся светящихся участков различного цвета и различной интенсивности свечения. Характерной чертой тлеющего разряда является большая величина падения потенциала вблизи катода, составляющая 100 В и выше, в то время как в дуговом разряде она имеет порядок величины потенциала ионизации газа (около 10 В). В зарубежной литературе эта форма разряда называется glow discharge.
Специфической особенностью тлеющего разряда, по сравнению с таунсендовским разрядом (разряд с холодными электродами и очень малой плотностью тока), является значительная роль электрического поля объемных зарядов. Это приводит к неравномерному распределению потенциала в разрядном промежутке и к существенному отличию напряжения зажигания от напряжения горения разряда.
Место тлеющего разряда среди других типов разряда можно представить с помощью рис. 1.
Рис. 1.
При токах 10 -5 -10 -4 А существует переход от темного таунсендовского к нормальному тлеющему разряду, характеризующемуся падающим участком вольтамперной характеристики. В диапазоне токов 10 -4 -10 -2 А имеет место нормальный тлеющий разряд, вольтамперная характеристика которого представляет прямую, параллельную оси тока.
Таким образом, в нормальном тлеющем разряде напряжение между электродами не зависит от силы тока. В нормальном тлеющем разряде только часть поверхности катода покрыта разрядом. С увеличением силы тока часть поверхности, занимаемая разрядом, возрастает так, что плотность тока остается постоянной. Природа сил, вызывающих расширение поверхности катода, принимающей участие в разряде, остается пока не выясненной. Постоянство напряжения горения нормального тлеющего разряда при изменении в широких пределах разрядного тока используется в газоразрядных стабилизаторах напряжения - приборах, поддерживающих постоянной величину входного напряжения при изменении потребляемого схемой тока.
При токах 10 -2 -1А возникает аномальный тлеющий разряд с возрастающей вольтамперной характеристикой. При еще больших токах наблюдается переход от тлеющего разряда к дуге с падающей вольтамперной характеристикой. Аномальный тлеющий разряд занимает всю поверхность катода, и поэтому при увеличении силы тока плотность тока также возрастает.
Рис. 2. :
1,3,5,7 - темные пространства: 1 - астоново, 3 - катодное, 5 - фарадеево, 7 - анодное; 2, 4, 6 - светящиеся зоны: 2 - катодный слой, 4 - отрицательное свечение, 6 - положительный столб, 8 - анодное свечение
Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, осуществляются в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих явлений. При изменении положения катода в пространстве катодные части перемещаются вместе с ним, не изменяя своей структуры. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если при существующем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.
В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной неизотермической низкотемпературной плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной.
Тлеющий разряд - это самостоятельный электрический разряд в газе с холодными электродами при токах 10 -5 -1 А. Он имеет характерную структуру в виде чередующихся светящихся участков различного цвета и различной интенсивности свечения. Характерной чертой тлеющего разряда является большая величина падения напряжения вблизи катода, составляющая более ста вольт. В зарубежной литературе эта форма разряда называется glow discharge.
Характерная структура нормального тлеющего разряда показана на рис. 2. К катоду примыкают катодные части разряда, затем следует положительный столб, вблизи анода расположена сравнительно короткая анодная область.
Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, происходят в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих процессов. При изменении положения катода в пространстве катодные части перемещаются вместе с ним, не изменяя своей структуры. Положительный столб, напротив, не является существенной частью разряда. Если при существующем разряде приближать анод к катоду, то сокращается именно эта область разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.
В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной.
Прежде чем переходить к описанию явлений, происходящих в различных областях тлеющего разряда, остановимся коротко на общей характеристике процессов, обеспечивающих существование самостоятельного разряда.
Из катода эмитируются электроны вследствие бомбардировки его поверхности ионами, ускоренными сильным полем вблизи катода, и быстрыми атомами, а также вследствие фотоэффекта, возникающего благодаря рекомбинационному излучению компонентов плазмы. 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, бомбардируя его поверхность, вызывают эмиссию новых электронов.
Если условия ионизации газа в катодных частях и инжекции электронов из катода таковы, что каждый эмитируемый катодом электрон производит столько актов ионизации и возбуждения атомов, что в результате фотоэффекта и бомбардировки катода ионами и атомами возникает новый электрон у 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. е. 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).
Как видно из рис. 2, в тлеющем разряде можно выделить несколько характерных областей. Непосредственно к катоду примыкает темное астоново пространство. Электроны, эмитируемые катодом, имеют малые скорости (порядка электрон-вольта), которые недостаточны для возбуждения атомов газа, и поэтому вблизи катода во всех газах имеется область, где свечение газа отсутствует. В сильном электрическом поле электроны ускоряются и, пройдя астоново темное пространство, приобретают энергию, достаточную для возбуждения атомов. Светящаяся область за астоновым темным пространством соответствует энергиям электронов, близким к максимуму функции возбуждения атомов данного газа. Ионизации газа в этой области еще нет, так как вероятность ионизации при этих энергиях еще мала. Эту область называют первым катодным слоем или катодной светящейся пленкой. Излучение имеет линейчатый спектр. За катодной светящейся пленкой следует катодное темное пространство, называемое также гитторфовым или круксовым темным пространством.
Иногда катодным темным пространством называют всю область от катода до границы следующей части - отрицательного тлеющего свечения. На эту область приходится значительная доля напряжения, называемая катодным падением потенциала; напряженность поля здесь значительно выше, чем в других частях разряда. В этой области свечение газа слабее, так как энергия электронов значительно выше энергии максимума функции возбуждения. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать ионизацию газа.
Возникающие при ионизации атомов электроны ускоряются полем и движутся в стороны анода к границе отрицательного тлеющего свечения. Положительные ионы так же ускоряются полем и движутся к катоду. Поток ионов, направляющихся к катоду, можно наблюдать по вызываемому ими свечению газа за катодом, если в катоде сделать отверстие. В этом случае ионы пролетают в закатодное пространство, образуя закатодные или каналовые лучи. Если на их пути поставить цилиндр Фарадея и подавать на него положительный потенциал, тормозящий ионы, то получают данные об энергии ионов. Аналогичным образом, изучая поток электронов через отверстие в аноде, придвинутом к катодной границе катодных частей разряда, можно получить сведения о распределении электронов по энергиям.
При низких давлениях и высоких анодных напряжениях (аномальный разряд) поток электронов, движущихся к границе отрицательного свечения, почти моноэнергетический с энергией, равной еоик. Скорость движения ионов значительно меньше скорости движения электронов, благодаря чему в области катодного темного пространства возникает избыточный объемный заряд, образуемый положительными ионами. Этот заряд сильно искажает электрическое поле в этой области. Вопрос о распределении поля в тлеющем разряде, представляющего суперпозицию внешнего поля и поля объемного заряда, является важным вопросом для теории этого типа разряда.
В нормальном тлеющем разряде величина катодного падения потенциала ик зависит от степени чистоты газа и материала катода. Кроме катодного падения потенциала, нормальный тлеющий разряд характеризуется также нормальной плотностью тока i и шириной темного катодного пространства.
За областью катодного темного пространства следует отрицательное тлеющее свечение. Эта часть разряда имеет резкую границу со стороны катода и размытую со стороны анода. В ней электрическое поле мало. Ионизованный газ представляет собою почти квазинейтральную плазму, которая пронизывается потоком быстрых электронов из катодного темного пространства. На роль быстрых электронов в этой области указывает прямая связь между энергией электронов и длиной отрицательного тлеющего свечения. Кроме быстрых электронов, в отрицательном тлеющем свечении имеется значительное число медленных электронов, испытавших в катодном темном пространстве неупругие столкновения и потерявших при этом большую часть своей энергии. Эти электроны обладают энергиями, близкими к максимуму функции возбуждения, и вызывают свечение газа с линейчатым спектром, определяемым природой атомов. Кроме того, излучение отрицательного свечения может быть вызвано рекомбинацией зарядов, вероятность которой велика у медленных электронов.
В сторону анода напряженность поля несколько возрастает, и интенсивность свечения этой области разряда постепенно падает вследствие уменьшения вероятности рекомбинации. Роль ионов, возникающих в отрицательном свечении и диффундирующих в катодное темное пространство, по-видимому, невелика для поддержания нормального разряда. Их значение возрастает в аномальных разрядах с большой плотностью тока.
Следующее за отрицательным тлеющим свечением фарадеево темное пространство является переходной областью от катодных частей к положительному столбу. Здесь электроны приобретают энергию в слабом электрическом поле, но эта энергия проявляется в их хаотическом движении. В начале положительного столба она возрастает настолько, что имеет место заметное возбуждение и ионизация атомов газа электронами. Существенное отличие фарадеева темного пространства от катодного темного пространства состоит в том, что в первом энергия электронов слишком мала для возникновения свечения газа, а в последнем слишком велика.
Положительный столб тлеющего разряда представляет собой плазму с малой (относительно катодного темного пространства) напряженностью поля. При стационарном токе величина напряженности поля устанавливается такой, чтобы компенсировать потери заряженных частиц. Эти потери обусловлены либо диффузией электронов и ионов на стенки трубки (если длина положительного столба значительно больше его диаметра) или на анод и в катодные области (в случае короткого положительного столба), либо рекомбинацией носителей зарядов в объеме. При очень низких давлениях газа, когда длина свободного пробега ионов больше радиуса трубки, частицы движутся к стенкам в режиме «свободного падения» и рекомбинируют на поверхности трубки. Таким образом, положительный столб можно рассматривать как самостоятельную область разряда, существующую в известной степени независимо от катодных частей.
Положительный столб бывает не только в тлеющем разряде, но и в дуге низкого давления с накаленным катодом. Плазма высокочастотного разряда также во многом напоминает положительный столб. Свойства положительного столба в различных видах разряда низкого давления в значительной степени идентичны. Во многих случаях (по мнению некоторых исследователей) положительный столб имеет слоистую структуру в виде неподвижных или движущихся вдоль оси трубки слоев, называемых стратами.
Вблизи анода имеется узкое темное пространство и анодное свечение. Появление этих частей связано с граничными условиями на аноде. Электроны притягиваются анодом, положительные ионы отталкиваются. Перед анодом образуется отрицательный объемный заряд, вызывающий изменение потенциала порядка потенциала ионизации газа. Если приблизить анод к катоду настолько, что он попадает в фарадеево темное пространство, то анодное падение потенциала исчезает.
Цвет различных частей разряда зависит от газа, в котором он происходит. Чаще всего разряд происходит с металлическими электродами. Но он может существовать также с покрытыми стеклом металлическими электродами или с неметаллическими электродами. Электропроводность неметаллических электродов или стекла связана с их нагреванием в разряде. Физические процессы на поверхности таких электродов недостаточно изучены.
Процессы, рассмотренные выше, играют важную роль в возникновении и поддерживании так называемого тлеющего разряда (см. приложение 1.1).
Эту форму газового разряда удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдаются следующие явления. При атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остаётся тёмной. При уменьшении давления газа (около 5,3-6,7 кПа) в некоторый момент в трубке возникнет разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении давления (около 1,3 Па) этот шнур расширяется и заполняет всё сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает.
При давлениях газа порядка 0,1-0,01 мм. рт. ст. разряд имеет вид на рис. 3.1.1.
Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 (первое катодное свечение, или катодная плёнка), за которым следует тёмный слой 2, получивший название катодного тёмного пространства. Это тёмное пространство затем переходит в светящийся слой 3 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. За тлеющим свечением наблюдается опять тёмный промежуток 4, называемый вторым или фарадеевым тёмным пространством. Указанные части называются катодными частями разряда. За вторым тёмным пространством лежит светящаяся область 5, простирающаяся до анода, или положительный столб. В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоёв, или страт.
Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части - катодное тёмное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Если в газоразрядной трубке сделать анод подвижным и постепенно придвигать его к катоду (рис. 3.1.1), то все катодные части остаются неизменными, а укорачивается только положительный столб. При дальнейшем уменьшении длины разрядного промежутка начинает укорачиваться второе катодное тёмное пространство, и когда анод попадает в тлеющее свечение, оно исчезает вовсе. Однако при этом разряд продолжает существовать. Когда же анод при дальнейшем уменьшении расстояния подходит к границе между первым катодным пространством и тлеющим свечением, разряд гаснет.
Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов - зондов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Всё падение потенциала в разряде приходится на область катодного тёмного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала. Опыт показывает, что если сила тока в разряде не очень велика, то величина катодного падения потенциала не зависит от силы тока (нормальное катодное падение потенциала). Изменение силы тока изменяет лишь величину светящейся поверхности на катоде, которая увеличивается с увеличением силы тока. Когда же сила тока достигает такой величины, что катодная плёнка покрывает всю поверхность катода, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением силы тока (аномальное катодное падение потенциала).
Существенным для понимания процессов в тлеющем разряде является то обстоятельство, что величина нормального катодного падения потенциала зависит лишь от материала катода и рода газа, причём катодное падение потенциала оказывается пропорциональным работе выхода электронов из катода.
Рассмотренные свойства тлеющего разряда приводят к следующей картине процессов, поддерживающих разряд. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации электронными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной бомбардировки быстрыми положительными ионами (а также вследствие фотоэффекта, вызванного излучением разряда) с катодом вылетают электроны, которые движутся к аноду. Эти электроны в области катодного падения потенциала сильно ускоряются и при последующих соударениях с атомами газа их ионизируют. В результате опять появляются положительные ионы, которые, снова устремляясь на катод, производят новые электроны и т.д. Таким образом, основными процессами, поддерживающими разряд, являются ионизация электронными ударами в объёме и вторичная электронная эмиссия на катоде.
Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного тёмного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа. В катодном тёмном пространстве электроны, следовательно, движутся практически без соударений, образуя электронные, или катодные лучи. Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых (или положительных) лучей, названных по знаку заряда, который они несут.
Распределение концентраций положительных ионов и электронов в различных частях разряда весьма неодинаково. Так как положительные ионы движутся гораздо медленнее, нежели электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем концентрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает сильный пространственный положительный заряд, который и вызывает появление катодного падения потенциала. Напротив, в области положительного столба концентрации положительных ионов и электронов почти одинаковы и здесь пространственного заряда нет. Благодаря большой концентрации электронов положительный столб обладает хорошей электропроводностью и поэтому падение напряжения на нем весьма мало.
Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбинация ионов, чем и объясняется свечение положительного столба.
Мы видим, что катодное падение потенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.
Тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газосветных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесённых на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощённого излучения в свою очередь начинают светиться. Подходящим подбором этих веществ (люминофоров)испускаемое ими излучение можно сделать близким к дневному свету. Такие трубки оказываются более экономичными, нежели обычные лампы накаливания.
Газосветные трубки применяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придают очертания различных фигур и букв. Наполняя трубки различными газами, можно получить свечение различной окраски (красное у неона, синевато-зеленое у аргона).
Пользуясь тем, что катодное падение потенциала зависит от материала катода, можно сделать газосветные трубки с малым напряжением зажигания. Так, например, в неоновой лампе, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария, вследствие малости работы выхода электронов у бария, катодное падение потенциала составляет только около 70 В. Поэтому лампа зажигается уже при включении в обычную осветительную сеть. Такие лампы употребляют для целей сигнализации в различной аппаратуре (индикаторные лампы).
В лабораторной практике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так как вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлического налёта на стенках трубки.
Причина катодного распыления, по всей вероятности, заключается в том, что каждый положительный ион при соударении с катодом передаёт свою энергию сначала небольшой группе атомов катода. Это приводит к сильному местному повышению температуры, возникающему в отдельных микроскопических областях катода, которое и приводит к испарению металла в этих местах. Помещая в тлеющем разряде против катода различные предметы, оказывается возможным покрыть их равномерным и прочным слоем металла. Этим способом, в частности, пользуются для изготовления металлических зеркал высокого качества.