Материал: Физика тлеющего разряда

1.3 Изменение условий

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

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

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

1.4 Распределение параметров по длине

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

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

1.5 Качественная интерпретация картины свечения

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

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

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

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

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

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

1.6 Направляющее действие зарядов, оседающих на стенках

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

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

1.7 Роль положительных ионов в тлеющем разряде

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

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

2. Объяснение явлений тлеющего разряда с точки зрения элементарных процессов

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

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

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

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

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