Анодное свечение – светящаяся область, наблюдаемая при электрических разрядах в газах на аноде. При низких давлениях в тлеющем и слаботочном дуговом разрядах анодное свечение наблюдается в виде тонкой светящейся пленки, равномерно покрывающей всю поверхность анода.

Электрический разряд в газах возникает только при наличии поля, вызывающего ионизацию, и во всех случаях в формировании разряда особое значение имеют приэлектродные процессы у катода и анода.

Анодная часть разряда является переходной областью между плазмой положительного столба и металлом анода (см. Рис.1.). В пределах области анода происходит переход от условий в положительном столбе, в котором ионы движутся к катоду, к условиям у анода, где ток переносится только электронами.

Так как ток на анод состоит исключительно из электронов (анод не эмитирует ионы), то вблизи анода имеется отрицательный пространственный заряд. Для того, чтобы было обеспечено поступление на анод тока, равного разрядному току, необходимо, чтобы отрицательный объёмный заряд был нейтрализован присутствием ионов.

В разряде с анодом небольшой площади в этой области возникает сильное электрическое поле, оттягивающее ионы от анода. При такой же, как в столбе, скорости образования ионов отрицательный объёмный заряд не может быть скомпенсирован. Устанавливается положительное анодное падение такой величины, что ускоренные на его протяжении электроны производят дополнительную ионизацию, поставляющую необходимое количество ионов.

Электроны, проходя область положительного анодного падения, в определенном участке приобретают энергию, при которой велика вероятность возбуждения, что вызывает образование анодного свечения.

В сильноточных дуговых разрядах в широком диапазоне давлений (от вакуума до атмосферного давления) вместо равномерного анодного свечения наблюдается анодное пятно – небольшой, сильно разогретый участок поверхности, на который течет практически весь ток разряда. Это вызывает испарение атомов с поверхности, а затем их возбуждение и ионизацию. Процессы девозбуждения и деионизации атомов вблизи анода вызывают анодное свечение.

Микроплазменный источник ионов.

На основе разряда с острийным анодом разработана конструкция простого и экономичного микроплазменного источника ионов, который может устанавливаться в любом высоковакуумном объеме с системой откачки мощностью более 100 л/с.

Интерес к источникам заряженных частиц поддерживается в связи с широкой перспективой применения их в различных областях науки и техники. В частности микротехнологии требуют источники высокой яркости. Одним из таких источников является жидкометаллический источник, позволяющий получать высокие значения плотности ионного тока, яркости и стабильности, значительно превышающие параметры таких классических плазменных источников, как дуоплазмотрон. Иной вариант генератора ионов – капиллятрон, который отличает высокая угловая плотность тока – 6 мА/ср. Схема источника приведена на Рис. 1.

В аноде микроплазменного источника имеется капиллярный канал диаметром 0.15 мм и длиной 1.5 мм. В канал введена игла. Радиус кривизны острия – 5 мкм. Давление рабочего газа 200 ÷ Торр на входе канала в экспериментах с источником позволяло на выходе канала поддерживать давление несколько Торр, требуемое для осуществления устойчивого горения разряда. При работе источника на аргоне давление в измерительной камере 10^-3 Торр ток разряда 2 мА.

Микроплазменный участок возникал вблизи острия и имел форму слабо расходящегося конуса с ярко светящейся вершиной. Высота конуса – 3 мм, при диаметре основания – 0,6 мм. Свечение не касалось стенок отверстия катода, имеющего диаметр 1мм. Разрядный ток распределялся между катодом – 1 мА, электродом (2) – 1 мА (полный ток ионного пучка на расстоянии 30 мм от катода) и электродом (4) – 100 мкА.

 

Миниатюрный плазмотрон.

Микроплазмотрон состоит из газоразрядной проточной ячейки, системы газообеспечения и источника питания. Газ в межэлектродный промежуток подается через игольчатый натекатель-сопло, являющийся анодом ячейки. При давлении на входе сопла, превышающем атмосферное, на выходе сопла зажигается разряд с характерным плазменным образованием, которое при увеличении давления вытягивается в тонкий плазменный шнур (диаметр – до одной десятой миллиметра, длина – до 20 миллиметров), размер которого определяется параметрами сопла. При давлении 2 – 4 атм, токе разряда 5 – 30 мА, напряжении – 400 – 800 В, мощность струи составляет сотни мВт – единицы Вт и регулируется мощностью, вкладываемой в разряд, и расходом рабочего газа.

Анодная часть разряда является переходной областью между плазмой положительного столба и металлом анода. Ее второстепенная роль в тлеющем разряде доказывается тем, что она может отсутствовать, если анод выдвинут в катодную область. С внешней стороны это немного более темная (по сравнению с положительным столбом) область, доходящая до поверхности анода. В пределах анодной области происходит переход от условий в положительном столбе, в котором положительные ионы движутся к катоду, к условиям около анода, где при положительном АП, ток к аноду переносится
только электронами, а при отрицательном — к аноду движутся и электроны, и ионы. Но в этом случае – ионный поток и направление противоположное направлению ионов в положительном столбе.
Так как ток на анод состоит исключительно из электронов (анод не эмитирует ионы), то вблизи анода имеется тенденция к образованию отрицательного пространственного заряда. Для того, чтобы было обеспечено поступление на анод тока, равного разрядному току, необходимо, чтобы отрицательный объёмный заряд в достаточной степени был нейтрализован присутствием ионов.

На рис.1 схематически изображены кривые распределения потенциала области у анода при положительном (кривые З и 2) и при отрицательном (кривая 1) анодном падении. Кривая З относится к случаю, когда электроны у поверхности анода производят интенсивную ионизацию газа и здесь образуется тонкая светящаяся плазменная пленка, между которой и положительным столбом лежит двойной слой объемных зарядов. Кривая 2 соответствует более слабой ионизации газа у поверхности анода и присутствию у анода слоя электронного объемного заряда. Анодным падением потенциала U_а называют разность потенциалов между концом невозмущенного анодными явлениями положительного столба и анодом; протяженностью зоны АП l_a называют расстояние от конца невозмущенного положительного столба до анода.

В разряде с анодом небольшой площади у анода возникает сильное электрическое поле, оттягивающее от него ионы. При скорости образования ионов такой же, как в столбе, отрицательный объёмный заряд не может быть скомпенсирован и устанавливается положительное анодное падение такой величины, что ускоренные на его протяжении электроны производят дополнительную ионизацию, поставляющую необходимое количество ионов. Электроны, пробегая область положительного анодного падения в
определенном ей месте, приобретают энергию, при которой вероятность возбуждения велика. В обоих случаях отрицательного и положительного анодного падения
соответствующее уменьшение или увеличение анодного напряжения сопровождается перераспределением напряжения между разрядной трубкой и сопротивлением, включённым во внешнюю цепь. При положительном АП (порядка ионизационного потенциала газа и выше) анод покрыт тонкой светящейся пленкой. С повышением давления эта пленка теряет свою однородность; на ней возникают более яркие выпуклые образования – анодные пятна, имеющие полусферическую форму. При отрицательном АП или положительном АП небольшой величины свечение у анода отсутствует. Знак и величина АП зависят от формы как самого анода, так и окружающих его стенок газового пространства, от рода и давления газа, силы тока и ряда других факторов.

Все процессы в анодной области, которые увеличивают генерацию положительных ионов или замедляют их удаление, ведут к увеличению концентрации заряженных частиц и, следовательно, к уменьшению положительного АП или к образованию отрицательного АП. Примером таких процессов могут служить:
а) местное искусственное повышение электронной температуры в анодной области;
б) местное повышение плотности газа у анода;
в) увеличение числа актов ступенчатой ионизации, происходящее при увеличении плотности тока или плотности газа;
г) ослабление электрических полей в плазме у анода, вызываемое формой анода (полый анод).

Процессы, которые снижают генерацию положительных ионов или ускоряют удаление их из объема анодного пространства, ведут к исчезновению отрицательного АП или к увеличению величины положительного АП:

а) местное искусственное снижение Т_е в анодной области;
б) местное снижение плотности газа;
в) снижение давления и плотности газа, ведущее к исчезновению ступенчатой ионизации;
г) усиление электрических полей в плазме у анода (анод малого размера).

Анодное падение потенциала, его знак и величина являются, таким образом, тем регулятором, который поддерживает концентрацию заряженных частиц перед анодом на уровне, обеспечивающем подведение к нему разрядного тока.
При отрицательном АП ионы уходят на анод, понижая перед ним концентрацию заряженных частиц. При положительном АП ионы не только не могут направляться к аноду,
но их концентрация здесь увеличивается за счет усиленной ионизации газа электронами, ускоренными при прохождении положительного АП. Анод с малой поверхностью, составляющей лишь небольшую часть поперечного сечения трубки, обладает всегда положительным АП, убывающим с ростом давления. При низких давлениях Uа сильно увеличивается с ростом тока. Это вызвано вторичным эффектом разрежением газа перед анодом при больших плотностях тока за счет удаления молекул газа в виде ионов. На протяжении нескольких диаметров анода вокруг последнего присутствует облако заряженных частиц повышенной плотности. Равновесное существование этого облака возможно только при высокой плотности генерации ионов, так как под действием поля и одновременно диффузии они быстро удаляются из прианодной области в сторону катода. Повышенная генерация ионов осуществляется за счет ускорения электронов в полях анодной области.