Материал: Физика тлеющего разряда

.2.4 Процессы, ведущие к испусканию света в темном катодном пространстве

[Рожанский, 1937, с. 268]: Хотя мы называем рассматриваемую область темной, однако это происходит, главным образом, от контраста с более яркими частями разряда. Свет, испускаемый этой областью, показывает, что возбуждение нейтральных частиц происходит и в катодном темном пространстве. Но возбуждение тех уровней, которые дают видимые лучи, происходит резче, чем в светящихся слоях газа, вследствие того, что электроны в катодном темном пространстве имеют энергии значительно большие, чем энергия возбуждения оптических уровней. По мере того, как число более медленных электронов возрастает, яркость свечения увеличивается.

По наблюдениям Зелигера и Линдова, [Рожанский, 1937, с. 268] яркость спектральных линий по мере приближения к границе катодного свечения возрастает постепенно и притом различно для разных линий. Здесь, несомненно, проявляются особенности функций возбуждения различных уровней. Чем больше энергии электронов, соответствующие максимуму возбуждения, тем ближе к катоду располагается максимум яркости соответствующих линий. Если определять границу катодного свечения как место наибольшей яркости спектра испускания, получаются положения границы, совершенно различные, смотря по тому, для какой спектральной линии производятся наблюдения.

Край темного катодного пространства, примыкающий к катоду, светится настолько ярко, что его называют первым светящимся слоем. Его свечение может быть объяснено тем, что электроны, вылетевшие из поверхности катода, приобретают здесь энергии, достаточные для возбуждения соответствующих уровней. Такое объяснение, повидимому, вполне справедливо, по крайней мере, для некоторых газов, когда между поверхностью катода и светящимся краем темного катодного пространства наблюдается темное пространство, впервые замеченное Астоном. Темное пространство Астона совершенно не светится, так как электроны в нем еще не имеют энергии, нужной для возбуждения. Толщина его почти не зависит от давления и может достигать 0,1 толщины темного катодного пространства [Рожанский, 1937, с. 268]. Пространство Астона хорошо видно у водорода, гелия и неона. У воздуха, азота, кислорода, аргона и некоторых других газов Астону не удалось обнаружить его. В некоторых случаях происхождение светящегося края может иметь совсем иные причины. Наблюдения Зелигера показали, что свечение его во многих отношениях сходно со свечением, которое возбуждается в газе при прохождении через него каналовых лучей. Те линии, которые особенно ярки в спектре каналовых лучей, отличаются относительно большой яркостью и в спектре светящегося края. Кроме видимых лучей, темное катодное пространство излучает также невидимые ультрафиолетовые или мягкие рентгеновские лучи [Рожанский, 1937, стр. 268].

4.2.5 Нелокальный характер электронного спектра и ионизационного коэффициента в катодном слое

[Райзер, 1987, с. 273] Дело в том, что поле в катодном слое меняется в 10² - 10³ раз на толщине слоя, которая составляет не более 10 длин полбега для неупругих столкновений (грубо говоря, ln(1+1/γ)≈3 «длины ионизации» α^-1). При столь резкой неоднородности E не успевает устанавливаться равновесный энергетический спектр, соответствующий локальному полю Е(х), как было бы при слабой неоднородности. Отличен от таунсендовского α[Е(х)] и фактически ионизационный коэффициент α(х).

Поскольку электроны движутся в сторону падения поля, их спектр жестче равновесного, а ионизационный коэффициент больше, ибо всего за длину пробега до прихода в данное место электроны набирали энергию в более сильном поле и «не забывают» об этом. В предельном случае очень малого числа неупругих столкновений энергия электронов определяется даже не полем, а пройденной разностью потенциалов. Благодаря нелокальным эффектам, на выходе из катодного слоя, где поле слабое, присутствуют электроны со значительными энергиями, в том числе немного таких, которые, родившись у катода, пронизали весь слой, не совершив ни одного неупругого столкновения. Последние обладают энергией в сотни электронвольт. Их давно обнаружили и на опыте называют пучок. Результаты расчетов, хотя и сделанных с рядом упрощений, впечатляют.

Перед нами открывается препарированная анатомическая картина процесса  (Рис. 4.2-4.4). На выходе из слоя обнаруживаются электроны с энергиями от малых и до 10-20 эВ, имеется и небольшой пучок. Реальный ионизационный коэффициент на границе слоя всего вдвое меньше максимальной величины в середине тогда как равновесный, а[Е(х)], максимален у катода, 1,7 см^-1, а у границы на много порядков меньше, т. е. практически нулевой. Однако детального согласия выходного спектра с опытом нет. В том же нормальном разряде в гелии на выходе из катодного слоя были зарегистрированы три группы электронов: со средней энергией 2 эВ (их подавляющее большинство), со средней энергией 22,5 эВ (их на два порядка меньше) и слабый пучок с ε = 150эВ. [Райзер, 1987, с. 273]

4.3 Катодное падение потенциала

[Ховатсон, 1980, с. 67]: Разность потенциалов на катодной области, длина которой от катодного до анодного конца второго темного пространства равна d_c, называют катодным падением потенциала или катодным падением напряжения V_c. Длина области d_c меньше длины трубки. Значит, в ней создается эффективный анод на расстоянии d_c от катода. Произведение d_c на давление в трубке p близко к пашеновскому минимуму. Таким образом, создается оптимальная конфигурация разряда, при которой необходимая для поддержания тока ионизация происходит в катодной области при минимально возможной разности потенциалов. Отсюда ясно, почему длина d_c обратно пропорциональна p: поддерживается оптимальное значение произведения pd_c. Таким образом, тлеющий разряд в трубке, для которой pd>(pd_c)_мин, имеет общую форму, показанную на рис.1, а трубка, в которой pd=(pd)_мин, имеет приблизительно оптимальную длину и поэтому полностью занята катодной областью.

[Рожанский, 1937, с. 258]: Катодное падение, очевидно, должно зависеть от двух факторов: коэффициента поверхностной ионизации при ударах положительных ионов и коэффициента ионизации газа, т. е. числа ионов, необходимых для выбивания одного электрона, и числа ионов, образующихся в катодном темном пространстве. Ввиду этого катодное падение должно зависеть как от свойств металла, так и от газа.

Состояние поверхности катода весьма сильно влияет на измерения катодного падения. Так, например, еще Варбург показал, что замена электродов из Pt, Zn, Cu, Ag и Fe такими же из алюминия и магния сильно снижает катодное падение. Точно так же действует иногда присутствие небольших примесей, в особенности кислорода и водяных паров (например снижает падение с 343 до 260 V).

Ввиду этого измерения потенциала дают величины, весьма сильно зависящие от условий опыта, в особенности от чистоты поверхности и газа [Рожанский, 1937, с. 258].

Ранние наблюдения Гитторфа (1883 г.) показали, что катодное падение не зависит от силы тока, если только катодное свечение не покрывает всей поверхности катода. При возрастании силы тока площадь, покрытая катодным свечением, увеличивается пропорционально, и следовательно, плотность тока у катода остается постоянной. Когда вся поверхность катода покрыта свечением, дальнейшее возрастание тока, увеличивая плотность тока, вместе с тем заставляет расти катодное падение [Рожанский, 1937, с. 258].

Как показали Зайцев, Рейхрудель и Спивак,[Грановский, 1971, с. 297]на процессы в катодных частях и, следовательно, на катодное падение потенциала оказывают влияние метастабильные атомы, например,2He* = He⁺ + He или Ne* + Ar = Ar⁺ +e + Ne [31, стр. 303] и т.п. При облучении катодных частей разряда светом, приводящим к разрушению метастабильных атомов, U_к изменяется на несколько вольт. Для поддержания постоянной величины тока в разряде необходимо, чтобы уменьшение ионизации газа вследствие разрушения метастабильных атомов было скомпенсировано усилением прямой ионизации электронным ударом, а для этого должно измениться U_к . [31, стр. 297]

Таким образом, мы должны различать нормальное катодное падение при нормальной плотности тока и аномальное-возрастающее с плотностью тока. Нормальное катодное падение, как показал Варбург, не зависит также и от давления газа [Рожанский, 1937. с. 259].

В нормальном тлеющем разряде величина катодного падения потенциала U_к определяется родом газа и материалом катода. U_к зависит от степени чистоты газа и материала катода, а также отсутствия неоднородностей на его поверхности. Этим объясняются расхождения, получаемые разными авторами. Для катодов из щелочных металлов U_к имеет низкие значения благодаря малой работе выхода. При одном и том же катоде U_к в молекулярных газах выше, чем в инертных.[Грановский, 1971, с. 297].

В катодном падении потенциала происходит значительное ускорение ионов, в связи с чем ионный ток уменьшается к катоду. Если проделать в катоде отверстие, то ионы по инерции пролетают за катод, образуя так называемые каналовые лучи. Это явление иногда используется при формировании пучков ионов в газоразрядных ионных источниках [Чернетский, 1969, с. 138].

.4 Нормальный разряд

В работе [Лисовский, 2000, с. 88] измерены характеристики катодного слоя (катодное падение напряжения U_c, толщина катодного слоя d_c, отношение плотности тока к квадрату давления газа j/p²) короткого (без положительного столба) тлеющего разряда низкого давления в аргоне и азоте в широком диапазоне давлений газа. При этом давление газов p=10^-2-10 Torr в диапазоне постоянных напряжений на электродах U_dc ≤ 1000 V и разрядные токи I_dc ≤ 100 mA. На катод из дюралюминия подавался потенциал от источника постоянного напряжения, анод из нержавеющей стали находился под потенциалом земли. Катод и анод занимали при этом все поперечное сечение разрядной трубки диаметром 100 mm, при этом межэлектродное расстояние было L=33mm. На рис. 4.5 показаны измеренные нами кривые зажигания тлеющего разряда U_dc(p), а также зависимости наименьшего катодного падения напряжения U_c. mm от давления газа р. Наименьшим катодным падением мы назвали падение напряжения на на катодном слое перед потуханием разряда. Из рисунка видно, что с ростом давления газа наименьшее катодное падение напряжения уменьшается и при р = р_n достигает минимальной величины U_{c. min} = U_n (для аргона U_n = 200±3 V, для азота U_n = 280 ± 3 V). Оказалось, что переход из таунсендовского разряда в тлеющий происходит таким образом, что слева от точки перегиба перераспределение потенциала (вызванное возмущением вакуумного поля E_dc возникающим пространственным зарядом) приводит к затруднению размножения электронов, в то время как справа от точки перегиба размножение электронов облегчается благодаря перераспределению потенциала и разряд может гореть при меньших напряжениях. Следовательно, нормальный режим горения может наблюдаться только вблизи и справа от точки перегиба [Лисовский , 2000, с. 91].

На рис. 4.6 показаны измеренные в работе [Лисовский , 2000, с. 90], значения pd_c(U_c) и j/р^г(U_c) для аргона и азота. Для аргона (pd_c)_n≈ 0.4± 0.03Тоrr сm, (j/р^г)_n ≈ 0.11 ± 0.02mА/сm²•Тоrr², а для азота (pd_c)_n ≈ 0.23±0.03 Тоrr•cm, (j/p²)_n ≈ 0.22±0.02mA/cm²•Torr². На этих же рисунках приведены также экспериментальные значения для железного катода.

Тлеющий разряд может гореть в нормальном режиме только при наличии анодного свечения вблизи поверхности анода. Если анодное свечение не наблюдается, то тлеющий разряд в этом случае горит в аномальном режиме. Анодное свечение появляется, когда падение напряжения на анодном слое становится близким к потенциалу ионизации молекул газа электронным ударом. Поэтому существует связь между появлением нормального режима горения и наличием ионизации в анодном слое [Лисовский, 2000, с. 93].

[Грановский, 1971, с. 306]: Наиболее простой способ рассмотрения процессов в катодных частях нормального и слабо аномального тлеющего разряда предложен Энгелем и Штеенбеком. В его основе лежит предположение о линейной зависимости напряженности поля от расстояния в катодном темном пространстве:

E(x)=E(0) [1-x/l_к], (5.5.1)

где E(0) - напряженность поля у поверхности катода, l_к - длина области катодного падения потенциала.

Электроны возникают на катоде вследствие эмиссии под действием бомбардировки положительными ионами (g = g_p). Пренебрегая пространственным зарядом электронов вследствие их большой подвижности и используя уравнение, определяющее потенциальное поле

dE(x)/dx=4pr(x) (5.5.2),

r(x)=e₀[n_p(x)-n_e(x)] (5.5.3),

где r(x) - объемный заряд, n_p(x) - концентрация ионов, n_e(x) - концентрация электронов и (5.5.1), получаем

(5.5.4)

Из уравнения, представляющего собой полный ток в каждой точке разряда как постоянную величину

с учетом условия, характеризующего процессы возникновения электронов на поверхности катода; при этом часто γ=const,

имеем

Формулы

E(x)=-dj(x)/dx и (5.5.1) дают U_к=E(0)l_к/2, и, следовательно,

Решая это уравнение совместно с условием стационарности разряда

и считая

где A и B - постоянные величины, получаем соотношение между j и U_к , которое представляет вольтамперную характеристику области катодного падения тлеющего разряда. С ее помощью можно определить U_к и j/p² в нормальном тлеющем разряде, а затем с помощью (5.5.8) рассчитать длину области катодного падения потенциала l_к.

Теория показывает линейное распределение поля вблизи катода. Экстраполяция прямой E(x) к оси Ох дает значение l_к, а потенциал в точке х= l_к равен катодному падению потенциала U_к. Расстояние, на котором энергия электрона соответствует самому низкому потенциалу возбуждения атомов газа, определяет величину астонова темного пространства l_а [Грановский, 1971, с. 306].

.5 Аномальный разряд

Катодное падение не зависит ни от давления, ни от силы тока, если поверхность катода не вся покрыта катодным свечением. В этом случае мы имеем нормальную плотность тока.

Увеличивая силу тока, мы доходим скоро до такой величины его, при которой вся поверхность катода покрыта свечением и дальнейшее возрастание тока может происходить лишь за счет возрастания его плотности.

Аномальная плотность тока создает также аномальное возрастание катодного падения. Этим объясняется то, что разность потенциалов на электродах при увеличении тока вначале остается почти постоянной или даже падает, а затем начинает расти. Толщина катодного пространства по данным Астона также изменяется в зависимости от давления и плотности тока. Аномальное катодное падение образуется вследствие большого положительного заряда перед катодом, который должен возрастать вместе с плотностью тока. Если катодное падение остается тем же, то, при большей плотности тока должна уменьшаться длина катодного пространства. Но уменьшение расстояния влечет за собой уменьшение числа образующихся ионов, которые своими ударами создают поток первичных электронов.

Поэтому для поддержания разряда необходимо увеличить катодное падение потенциала, чем и будет пополнен недостаток электронов. Большая разность потенциалов может оказать двоякое влияние на процессы ионизации:

) вследствие уменьшения вероятности ионизации при больших скоростях аномальное катодное падение может уменьшить ионизацию первичными электронами,

) ионизация вторичными электронами, образовавшимися в объеме, наоборот, возрастает, так как число вторичных электронов, которые получили в электрическом поле достаточную энергию, должно возрастать; наконец, также способствовать нарастанию ионизации будет возрастающая поверхностная ионизация положительными ионами.

Как известно из [Грановский, 1971, с. 310], в аномальных тлеющих разрядах протекают сильные токи и имеется сильное электрическое поле в катодном темном пространстве. Поэтому для объяснения этого вида разряда необходимо рассмотреть процессы, способствующие повышению эмиссии катода и усилению ионизации газа в объеме.