|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Тлеющий разряд |
 | |
Анимация
0
Описание
Тлеющий разряд, один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Электрический разряд - прохождение электрического тока через ионизованные газы, возникновение и поддержание ионизованного состояния под действием электрического поля. Происходит при низкой температуре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде (< 102 А/см2) и большим (порядка сотен В) катодным падением потенциала U. Тлеющий разряд может возникать при давлениях р газа от 10-4 мм рт. ст. вплоть до атмосферного, однако подавляющее большинство исследований тлеющего разряда проведено при р от сотых долей до нескольких мм рт. ст.
Напряжение горения тлеющего разряда зависит главным образом 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 темного разряда к нормальному тлеющему разряду формируется характерная для него структура (рис. 1).
Внешний вид и распределение параметров в тлеющем разряде при относительно низком давлении
На рис.1 по оси y вместо текстовых подписей вставить буквы a, b, c, d
Рис. 1
Обозначения:
a - интенсивность свечения;
b - потенциал;
c - напряженность поля;
d - ионный (I+) и электронный (I-) токи в различных областях;
1 - катод;
2 - астоново темное пространство;
3 - астоново свечение (катодная пленка, катодный слой);
4 - катодное темное пространство;
5 - катодное (отрицательное, тлеющее) свечение;
6 - фарадеево темное пространство;
7 - положительный столб;
8 - анодная область;
9 - анод.
В области катодного темного пространства 4 образуется значительный объемный заряд, приводящий к существенному перераспределению потенциала вдоль разрядной трубки. В поле этого заряда ускоряются электроны под действием главным образом ударов положительных ионов (ионно - электронная эмиссия) и быстрых или метастабильных нейтральных атомов, а также в результате фотоэлектронной эмиссии и т.п. Эмитируемые электроны ионизируют газ в области катодного (отрицательного) свечения 5. Потеряв энергию, они, а также образовавшиеся вторичные электроны дрейфуют к аноду. В пределах фарадеева темного пространства 6 они "термализуются" и набирают энергию, достаточную для термического возбуждения и ионизации атомов, далее образуется ярко светящийся положительный столб 7. Концентрация электронов в положительном столбе определяется динамическим равновесием процессов объемной ионизации, объемной рекомбинации и ухода заряженных частиц на стенки разрядной трубки (чаще за счет амбиполярной диффузии). В положительном столбе обычно возникают ионизационные волны, имеющие вид иногда неподвижных, но чаще быстро перемещающихся ярких поперечных полос - страт.
В диапазоне токов от 10-4 до 10-1 А напряжение горения и плотность тока на катоде остаются постоянными, площадь катодного сечения постепенно увеличивается и занимает весь катод. При токах 0,1 - 1 А тлеющий разряд приобретает аномальный характер: плотность тока на катоде и напряжение горения резко возрастают; при дальнейшем повышении тока анодное сечение скачком стягивается в малое яркое пятно, напряжение горения резко падает, структура столба, типичная для тлеющего разряда, исчезает, тлеющий разряд переходит в дуговой разряд.
Особой формой тлеющего разряда является разряд с полым катодом (катод имеет форму полого цилиндра или двух параллельных пластин), который отличается от обычного тлеющего разряда значительно большими плотностью тока и яркостью свечения.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Приборы, реализующие тлеющий разряд используются в релейных и автоматических устройствах, в счетной технике, как источники света и т.д.
Тлеющий разряд в потоке газа наиболее важен для практического применения. Поток газа прокачивают через различные виды тлеющего разряда для того, чтобы увеличить охлаждение газовой среды. В покоящемся газе охлаждение за счет теплопроводности оказывается недостаточным для практических потребностей. Поток газа, проходя через разряд, ионизируется, и плазма 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 самостоятельного разряда. Часто используется схема поперечного разряда, когда вектор скорости потока газа нормален вектору напряженности электрического поля (рис. 3, рис. 4).
Схема возбуждения комбинированного продольного разряда
Рис. 4
Обозначения:
1 - катодный штырь;
2 - анодная трубка;
3 - диэлектрическая пластина;
4 - электрод вспомогательного разряда.
В таком разряде КС находится в глубине пограничного слоя и практически не отличается от КС тлеющего разряда в покоящемся газе. Весьма существенно поток изменяет свойства АС. Если поток ламинарный, то неустойчивость АС приводит к образованию на аноде полос, вытянутых вдоль потока. В турбулентном потоке наблюдается хаотичное образование и размытие анодных пятен.
Поддержание фронта ионизации ПС тлеющего разряда при невысоких скоростях газа и давления возможно за счет амбиполярной диффузии, которая выносит плазму навстречу потоку. Без учета рекомбинации и нагрева газа баланс плазмы определяется равенством скоростей ионизации и выносом плазмы потоком газа. Напряжение на разряде U не зависит от тока. При учете рекомбинации вольт-амперная характеристика разряда U (j) - слабо растущая функция, а при больших значениях тока, когда существенен нагрев газа, U (j) - слабо падающая, неустойчивая.
При пониженных давлениях в качестве катода используется охлаждаемая водой трубка, расположенная поперек поток газа, анод - сплошная металлическая пластинка. Для улучшения устойчивости такого разряда секционируют анод.
Наряду с поперечным разрядом на практике применяют также продольный разряд, в котором электрическое поле направлено навстречу потоку газа (рис. 4). Для улучшения устойчивости этого разряда ионизацию создают с помощью повторяющихся высоковольтных импульсов, прикладываемых поперек потока.
Реализации эффекта
Вариант 1. Плоский тлеющий разряд.
На практике реализуются плоские разряды, где расстояния между боковыми стенками превышает межэлектродное расстояние L. Плоский разряд используют при средних (10 - 100 тор) и высоких (> 100 тор) давлениях. Плоский тлеющий разряд сохраняет все основные черты тлеющего разряда в трубке, однако его область определяется балансом процессов амбиполярного дрейфа и рекомбинацией, а потери за счет диффузии к боковым стенкам несущественны. Поскольку характерный размер L в этом случае не зависит от давления газа, тлеющий разряд оказывается существенно неоднородным и при средних давлениях.
Например, для азота
L 
.
Вольт-амперная характеристика растущая:
U ~ (jL3p)1/2.
При средних и высоких давлениях нормальная плотность тока на катоде существенно превышает плотности тока, используемые на практике. Для того чтобы избежать стягивания тока на катоде и следующего за ним образования дуги, катод делят на секции, искусственно распределяя ток в среднем равномерно по катоду. Такой катод представляет собой набор штырей, присоединенных через сопротивления к общей шине. При возрастании тока, стекающего на один штырь, напряжение на нем падает, что приводит к ограничению тока. Избежать контракции можно также за счет поддержания разряда короткое время (~ 1 мкс), чтобы неустойчивость не успела развиться, т.е. с помощью специальной системы питания реализуют импульсный тлеющий разряд (рис. 2).
Схемы возбуждения самостоятельного тлеющего разряда.
Схемы возбуждения импульсного квазистационарного и стационарного разрядов в потоке газа
Рис. 2a
Обозначения:
I - анод;
2 - штыри или узкие пластины для разряда в потоке газа;
Rб - балластные сопротивления.
Схемы возбуждения импульсного разряда в потоке газа
Рис. 2б
Обозначения:
1 - катодная пластина;
2 - анод;
3 - емкость вспомогательного разряда.
Схемы возбуждения емкостного самостоятельного разряда
Бумага
Обозначения:
1 - диэлектрические пластины;
2 - электроды.
Однако и в этом случае необходимо принимать специальные меры для однородного пробоя газа, т.к. из-за стримерного характера пробоя разряд минуя фазу тлеющего, переходит в дугу. Электроды могут быть сплошными, однако либо вблизи катода, либо в объеме создается предварительная ионизация с помощью вспомогательного электрода, помещенного вблизи катода или вне разрядного промежутка. При подаче напряжения сначала возникают разряды между катодом и вспомогательным электродом - образуется плазменный катод, затем импульсный тлеющий разряд развивается в основном разрядном промежутке. Однородность квазистационарного и импульсного разрядов с секционированными катодами зависит от расстояния между штырьками. Для стабилизации тлеющего разряда применяются также комбинированный тлеющий разряд и разряд переменного тока.
Вариант 2. Комбинированный тлеющий разряд переменного тока.
Технически эти виды разряда отличаются весьма несущественно, их роднит общность механизма протекания тока. В обоих разрядах ток течет по рекомбинирующей плазме; ионизация осуществляется в течение короткого промежутке времени периодически с частотой, большей обратного времени рекомбинации.
Основной разряд поддерживается между катодом и анодом от источника постоянного напряжения. Поскольку плотность плазмы не зависит от постоянного напряжения, такой разряд в промежутке между импульсами является несамостоятельным. Таким образом комбинированный тлеющий разряд состоит из двух разрядов: самостоятельного и несамостоятельного.
В разряде переменного тока ионизация осуществляется в момент максимального напряжения на разрядном промежутке, остальное время такой тлеющий разряд также является несамостоятельным. Характерная особенность такого разряда - простота реализации секционирования катода: его покрывают изоляционным слоем с большой диэлектрической проницаемостью (рис. 2б), являющимся реактивным балластным сопротивлением. Использование такого балласта значительно повышает КПД разряда по сравнению с разрядом постоянного тока с активным сопротивлением (рис. 2a).
Механизм протекания тока в тлеющем разряде существенно зависит от частоты источника питания и проводимости плазмы s. При низких частотах (10 - 100 кГц), когда
,
в каждом полупериоде происходит распад и формирование КС и АС. Так как период колебаний меньше времени рекомбинации плазмы, зона ФТП не успевает установиться в течение полупериода, поэтому низкочастотный тлеющий разряд более однородный по сравнению с тлеющим разрядом постоянного тока.
При повышении частоты оммический ток сравнивается с током смещения:
.
Это происходит прежде всего в катоде, т.к. в нем проводимость s самая маленькая. Расчеты и эксперимент показывают, что и в этом случае на электродах ток может контрагировать. Здесь также проявляется закон нормальной плотности тока. В таком разряде вблизи анода и катода образуются слои квазинейтральной плазмы повышенной плотности.
Вариант 3. Несамостоятельный тлеющий разряд отличается от самостоятельного тем, что проводимость его поддерживается с помощью внешнего ионизатора (рис. 3).
Схема возбуждения несамостоятельного разряда
Рис. 3
Обозначения:
1 - анод;
2 - катод;
3 - электронный пучок.
Поэтому важнейшей характеристикой тлеющего разряда Е/р можно управлять в широких пределах и независимо от тока.
Широко распространен несамостоятельный тлеющий разряд, поддерживаемый пучком быстрых электронов (~ 200 кэВ). Чем больше тот пучок, тем выше концентрация разрядной плазмы. Структура несамостоятельного тлеющего разряда похожа на структуру самостоятельного тлеющего разряда. На КС внешняя ионизация существенного влияния не оказывает, т.к. ударная ионизация превосходит внешнюю. Этот слой может контрагировать, как и в самостоятельный тлеющий разряд. Однако характер контракции здесь иной. Разряд на катоде разбивается на множество пятен. Поскольку ПС несамостоятельного тлеющего разряда обладает большим положительным дифференциальным сопротивлением, он оказывает стабилизирующее воздействие на КС и препятствует слиянию пятен. Как и в самостоятельном разряде, контракция на катоде не возникает при использовании импульсов малой длительности (Ј 1 мкс). В несамостоятельном тлеющем разряде постоянного тока количество пятен пропорционально полному току. Внешний ионизатор оказывает стабилизирующее влияние на АС, и анодным падением, как правило, можно пренебречь. Несамостоятельный тлеющий разряд может гореть в больших объемах в широком диапазоне давлений и токов и используется для накачки мощных газовых лазеров.
Литература
1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая российская энциклопедия, 1998.- Т.5.- С.116-119.
2. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.523-528.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
