Изменение потенциала вблизи анода в тлеющем или дуговом разряде
Анимация
Описание
Анодная часть разрядаявляется переходной областью между плазмой положительного столба и металлом анода.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.
Поскольку анод не эмитирует и отталкивает положительные ионы, у самой поверхности металла их нет. Между анодом и электронейтральной плазмой положительного столба имеется слой отрицательного объемного заряда, в котором поле уменьшается в направлении от анода к столбу (рис.1). μ+ - подвижность ионов. μе - подвижность электронов. Плотность электронного тока je изменяется в слое на незначительную величину (μ+/μe)j, а плотность ионного j+ вырастает от нуля до (μ+/μe)j в плазме (рис.2). j - плотность тока в положительном столбе. Ионный ток I+ втекающий в положительный столб, образуется в результате рождения зарядов в анодном слое, причем для этого электрону достаточно произвести ничтожное число ионизацииμ+/μe. В самом деле:
α-коэфициент ионизации.
Качественные распределения объёмного заряда ρ, электрического поля Е, потенциала φ, плотностей электрическогоjе и ионного j+ токовмежду анодом и катодом в тлеющем разряде:
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Получается, что поток электронов на анод чуть больше, чем дрейфовый поток в положительном столбе, так как отсутствие ионного тока у анода в стационарном процессе должно быть возмещено дополнительным электронным током. Следовательно, в анодном слое должно рождаться электронов и ионов немного больше, чем в равном объеме положительного столба, и поле здесь должно быть сильнее. Однако достаточно гораздо более слабой дополнительной ионизации, чем в катодном слое, так как «дисбаланс» определяется не электронным, а в μ+/μe <<1 более слабым ионным потоком. Поэтому поле в анодном слое не намного больше поля в положительном столбе. Определение φ следует из:
.
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 определенномучастке приобретают энергию, при которой велика вероятность возбуждения, что вызывает образование анодного свечения.
Согласно старым измерениям в трубках при p < 1-10 торр, VA ~ 10-20 В, причём значение анодного падения в каждом газе сопоставимо с его потенциалом ионизации. Плотоность тока на аноде имеет порядок 10-4 - 10-3 А/см2 ; в азоте вблизи анода измерены поля Е/р ~ 600-200 В/(см торр), чему отвечает толшина слоя dr ~ 0.05/р см порядка длины пробега электрона. В работах последенего времени показано, что при средних давлениях анодное падение увеличиватся с ростом давления, в электроотрицательных газах этот эффект проявляется сильнее (рис.1).
Анодное падение разряда в азоте и в воздухе в зависимости от давления:
Рис.1.
Реализации эффекта
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. Простота конструкции, легкость управления, высокая экономичность, наряду с реализацией высоких плотностей ионного тока и угловой яркости, позволяет говорить о перспективности применения микроплазменного источника ионов и метастабильных атомов в устройствах диагностики поверхности и технологиях размерной обработки при производстве изделий электронной техники. Так же анодное падение применяется в точечных источников света и микроплазмотронах.
Литература
1. Прохоров А. М. Физическая энциклопедия. - М: Большая Российская Энциклопедия т.4,1998
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики,т.3. Электричество. - М:1988.
3. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. - М:Наука,1980.