Запорожец Издания
перед анодом на уровне, который обеспечивает поступление на анод тока электронов, равного разрядному. Рассмотренная выше упрощенная теория не объясняет целый ряд наблюдаемых на аноде явлений, поскольку не учитывает весьма значительного обратного воздействия анода на плазму. Поэтому более правильно подходить к объяснению механизма анодных явлений, исходя из условий генерации и исчезновения ионов около действующей поверхности анода (обзор и библиографию см. в [0.2]. Установившийся ток. 1971. § 58). 9.3. ПРОЦЕССЫ НА ЭЛЕКТРОДАХ И В ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЯХ ДУГОВЫХ РАЗРЯДОВ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Общая картина физических процессов на горячем катоде и в прикатодной области дуговых разрядов. Составленная на основе большого числа экспериментальных исследований и теоретических оценок, она выглядит следующим образом. При увеличении силы тока увеличивается нагрев катода, и при некоторой температуре катода (силе тока) разряд у катода стягивается в яркую светящуюся область, которая придвигается почти вплотную к поверхности катода. При этом происходит резкое снижение катодного падения потенциала до величины порядка потенциала ионизации газовой среды у поверхности катода (т. е. до 5-15 В). Тлеющий разряд переходит в дуговой. Активированный катод нагревается в катодном пятне (КП) до температуры, при которой значительная часть тока разряда обеспечивается током термоэмиссии. Катодным пятном будем называть нагретый участок поверхности катода, эмиттирующий основную часть электронов. Главная часть катодного падения потенциала происходит в весьма тонком слое двойного пространственного заряда, непосредственно примыкающего к поверхности КП, - в так называемом ленгмюровском слое. При наличии КП толщина этого слоя значительно меньше длины свободного пробега электронов, поэтому они проходят его практически без столкновений и попадают в следующую область с энергией, равной пройденной разности потенциалов. Здесь они принимают непосредственное участие в возбуждении и ионизации газа, теряя при этом часть своей энергии. Эта область носит название области неравновесной ионизации, поскольку в ней с расстоянием от катода меняется функция распределения электронов по энергиям (ФРЭ), концентрация электронов и скорость ионизации. Возникающие в этой области пары зарядов постепенно компенсируют объемный заряд, и напряженность электрического поля резко падает. Поэтому движение зарядов из этой области происходит под действием слабого электрического поля и бипо- лярной диффузии. Часть ионов, направляющаяся в сторону катода, попадая в ленгмюровский слой и пройдя его, приобретает кинетическую энергию, примерно равную пройденной разности потенциалов. Падая на катод, они отдают ему значительную часть кинетической энергии и энергии ионизации и таким образом поддерживают его в нагретом состоянии, обеспечивающем необходимую термоэмиссию. Наличие больших напряженностей электрического поля у поверхности КП снижает работу выхода и увеличивает ток термоэмиссии. Сведения об экспериментальных методах и результатах исследования процессов на электродах и в приэлектродных частях разрядов НД см. в [0.10, 9.3, 9.4]. Там же см. библиографию. Таков по современным воззрениям замкнутый цикл процес сов, определяющих характеристики КП и прикатодных областей дуговых разрядов. В принципе такой же цикл взаимосвязанных процессов сохраняется для всех стационарных дуговых разрядов с КП как при низком, так и при высоком давлениях (см. следующий параграф). Рассмотрим взаимосвязи процессов в КП и прикатодной области на примере дуговых разрядов НД в смеси паров ртути с инертными газами и оксидными катодами, применяемых в ЛЛ (конструкцию электродов ЛЛ см. § 9.7). Основные соотношения, описывающие режим работы КП и прикатодных частей дуговых разрядов НД. Режим работы КП и прикатодных частей дугового разряда определяют следующие шесть величин: 1) /е - электронная составляющая тока; 2) h- ионная составляющая тока; 3) Гк.п-температура КП; 4) 5к.п- площадь КП; 5) Ек - ускоряющее электрическое поле у катода, определяющее снижение работы выхода; 6) f/к - катодное падение потенциала. Все эти величины можно рассчитать теоретически, а многие из них измерить непосредственно экспериментально и таким образом проверить механизм процессов и усовершенствовать математическую модель. Для теоретического расчета этих всг личин составим следующую систему из шести независимых уравнений, связывающих эти величины между собой, с условиями разряда и свойствами электрода в стационарном режиме [9.4-9.6]. 1. Уравнение непрерывности тока на границе катод - плазма: IIe+h. (9.4) 2. Уравнение термоэмиссии для электронной составляющей тока на катоде: К = ЛТ1и S,.„ ехр (- eJkT.J, (9.5) где фк - работа выхода с учетом эмиссионной «пятнистости» (неоднородности эмиссии по поверхности) и эффекта Шоттки. Учет «пятнистости» приводит к соотношению [0.2] бф=еф.о+Тк.п- Для оксидного катода с полупроводниковыми свойствами Дф - уменьшение работы выхода под действием электрического поля на поверхности катода Ек - складывается из уменьшения внешней .Дх и внутренней работы выхода Д: Дф=Дх-ЬД1. Раскрывая зависимости Дх и от Е, получаем [9.4] Оценки показывают, что при Гк.п=1300 К и ионах аргона с»3,2-10", а fe«il,7-10~, где Ек, В/м. Таким образом, окончательно ефк=ефо-ЬафГ„.п-е(с£к-ЬЬ£к). 3. Уравнение движения зарядов у катода с учетом объемного заряда определяет Ек в зависимости от плотности ионного тока на катоде Jik и Uk («закон 3/2» [0.2]). Поскольку скорости электронов в несколько сот раз больше скорости ионов, с очень небольшой ошибкой можно пренебречь пространственным зарядом электронов, и тогда (9.6) где ц - коэффициент, больший единицы и учитывающий увеличение поля за счет неровностей на поверхности КП; ео - диэлектрическая постоянная вакуума: 8о=8,854-10~ Ф/м. 4. Уравнение баланса энергии электродов определяет их температурный режим. Оно зависит от конкретной конструкции электродов, их свойств, условий разряда и условий работы (постоянный, переменный ток и т. д.). Эти уравнения для различных случаев рассмотрены в § 9.5. Для получения полной системы уравнений необходимо добавить еще два соотношения между искомыми величинами. Одно из них должно устанавливать связь между Uk и /,-. В качестве второго соотношения используем принцип минимума затраты энергии на поддержание режима в КП и прикатодных частях разряда, участвующих в образовании необходимых для его существования ионов. 5. Уравнение, связывающее ионную составляющую тока с катодным падением потенциала и условиями разряда в прикатодной области. Составление и решение этого уравнения представляют наибольшие трудности из-за непрерывно меняющихся с расстоянием от катода ФРЭ, концентрации электронов и соответственно скорости ионизации. Однако в общем виде можно записать, что количество образующихся в прикатодной области в единицу времени ионов (пар зарядов) пропорционально электронной составляющей тока и является функцией 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 [ 101 ] 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239
|