Сравнительный анализ тлеющего и дугового разряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

162

Сравнительный анализ тлеющего и дугового разряда

Степанов А. П.

Появление новых областей приложения газового разряда, таких, как лазеры, плазмохимия, термоэмиссионные преобразователи, плазменные технологии поверхностей, нанотехнологии и др., стимулирует интерес к классическим типам разрядов, возможности приложения которых, как свидетельствует практика, постоянно расширяются. В статье проводится общий сравнительный анализ тлеющего и дугового разрядов.

Как тлеющий, так и дуговой разряд являются самоподдерживающимися разрядами в газах [Ховатсон 1980: 1], т.е. такими, которые не зависят от внешних ионизаторов и занимают соответственно область СЕ и область больших токов, находящуюся за точкой Н вольтамперной характеристики, приведенной на Рис. 1.

газовый разряд тлеющий дуговой

Рис. 1. Статическая вольтамперная характеристика разряда низкого давления (порядка 1 мм. рт. ст.)

Тлеющий разряд (ТР) - это газовый разряд типичный при давлении ~ 0,1 - 10 Тор, холодных электродах, при напряжении между электродами порядка нескольких сот вольт. ТР - слаботочный, его разрядный ток I_р от 10^-6 до 1 А. Характерные плотности тока на катоде в “нормальном” ТР ~ 10 мА/см².

Схематическое изображение внешнего вида ТР приведено на Рис. 2. Буквами на рисунке обозначены области с различными свойствами и характером свечения. Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой (первое катодное свечение). Область аb представляет собой область катодного падения напряжения, или темное катодное пространство (область большого положительного объемного заряда); bс - область отрицательного свечения, возникающая вследствие соударений с электронами, ускоренными в области катодного падения напряжения; cd - фарадеево темное пространство, где электроны, потерявшие значительную часть своей энергии в области bc движутся слишком медленно, чтобы вызвать заметное возбуждение; de - положительный столб (плазменная область, в которой концентрации электронов и положительных ионов примерно равны). В некоторых случаях этот столб распадается на ряд слоев, или страт. Область от точки е до анода является анодной областью ТР.

Рис. 2. Схематическое изображение внешнего вида ТР и распределения потенциала

Разность потенциалов, существующая между катодом и ближайшей к нему границей темного пространства, называют катодным падением потенциала. Оно измеряется сотнями а в некоторых случаях и тысячами вольт. Наличие катодного падения потенциала является самым важным признаком ТР; без катодного падения потенциала ТР не может существовать.

Основные экспериментальные данные о положительном столбе (ПС) ТР:

? Свойства ПС ТР практически не зависят от его длины.

? Электронная температура в ПС Т_е ~ 2 эВ, тогда как ионная температура T_i порядка комнатной (T_i ~ 0,03 эВ).

? Плотность электронов n_e ? 10^-6 см^-3 и, соответственно степень ионизации б = n_e / n₀ ? 10^-6 при плотности атомов n₀ ? 10¹⁶ см^-3.

Таким образом, видно, что плазма в ТР принципиально неравновесная, поскольку имеет место большой разрыв величин электронной и ионной температур.

Повышение плотности газа в разрядном промежутке или увеличение напряжения приводит к переходу от нормального ТР к аномальному ТР, а затем к дуговому разряду (ДР) (Рис. 1). Разновидностей ДР очень много.

Они связаны с различием катодных процессов, давлений, газов, форм и размеров сосудов, окружающих дугу и т.д.

ДР - электродный разряд при достаточно больших давлениях (р ? 10 Тор) вплоть до десятка и более атмосфер. Его внешними признаками могут служить наличие катодного и анодного пятен дуги, а также наличие трех зон: прикатодной, положительного столба и прианодного слоя (Рис. 3).

Организация физических процессов в этих зонах в ДР совсем другая, чем в ТР, соответственно различны параметры плазмы и ВАХ [Финкельбург 1961: 3]. В отличии от ТР дуговой разряд низковольтный. Характерные напряжения 15 - 30 В. ДР - сильноточный, его разрядные токи I_р ? 1 А и могут достигать многих тысяч Ампер. Плотность тока в катодном пятне может достигать больших величин j = 10⁶ A/см² и более. Малая величина катодного падения (порядка 10 В) является характерной чертой дугового разряда.

Принципиальной особенностью ДР является электронная эмиссия с катода. Радикально изменяются и положительные столбы. В ТР он термодинамически неравновесен, а в ДР он с хорошей точностью находится в термодинамическом равновесии.

Рис. 3. Электрическая дуга и распределение потенциала вдоль столба дуги: 1 - анодная область, 2 - столб плазмы, 3 - катодная область, 4 - катодные пятна

Отметим несколько экспериментальных фактов ПС, касающихся дуг горящих в неограниченной атмосфере:

? ВАХ таких дуг - падающая. Поэтому для стабилизации разряда в цепь включается балластное сопротивление.

? При достаточно больших разрядных токах собственное магнитное поле дуги начинает ее сжимать (пинч-эффект).

? В хорошем согласии эксперименты показывают, что: радиус канала растет с увеличением разрядного тока I_р, а плотность тока возрастает только логарифмически; также от I_р слабо зависит температура плазмы (возрастает), а напряженность Е-поля падает.

? Температура в дуге обычно находится на уровне 5000 - 10000 К, и она особенно круто изменяется вблизи периферии плазменного столба.

Теория тлеющего разряда обычно ведется с первых работ А. Энгеля и М. Штеенбека [Von Engel 1934: 6], [Энгель 1986: 5]. В соответствии с концепцией, предложенной в этих работах, катодный слой представляет собой переходную область между поверхностью катода и столбом плазмы. При умеренной длине положительного столба разряда в области катодного падения сосредоточено практически все напряжение, приложенное к промежутку. Роль катодного слоя в ТР состоит в том, чтобы за счет ионизационного размножения электронов усилить слабый электронный ток эмиссии с катода до величины электронного тока в квазинейтральной плазме разряда. Исходя из этих предположений, удается построить теорию процессов в ТР, которая находится в хорошем согласии с экспериментальными данными [Ховатсон 1980: 4], [Финкельбург 1961: 3], [Von Engel 1934: 6], [Энгель 1986: 5].

Теория ДР строится по аналогии с ТР [Финкельбург 1961: 3], [Самервилл 1962: 2]. Для этого предполагается, что вблизи поверхности металла в области порядка длины свободного пробега иона (l_i ~ 10^-5 ? 10^-6 см) формируется слой объемного заряда, в котором имеет место существенное (~10 В) падение потенциала (катодное падение) и, следовательно, сильные (~ 10⁶ - 10⁷ В/см) электрические поля. Этот слой является основным источником энергии, обеспечивающим существование катодного пятна.

Ионы прикатодной плазмы ускоряются в слое объемного заряда по направлению к поверхности электрода, приобретая кинетическую энергию, которую они передают при столкновении поверхности металла. Эта энергия, вместе с энергией, выделяющейся при нейтрализации иона, составляют основной приток энергии к поверхности металла. С другой стороны, благодаря высокой температуре поверхности электрода в пятне и сильному электрическому полю в слое объемного заряда, электрод эмитирует электроны. Эти электроны ускоряются в слое объемного заряда и образуют высокоэнергетический пучок, поступающий в прикатодную плазму. Энергия, приносимая в прикатодную плазму эмитированными электронами, расходуется в зоне релаксации пучка на ионизацию и нагрев компонент плазмы.

Однако подобная модель процессов в ДР не может объяснить всей совокупности явлений и экспериментальных фактов. На Рис. 4 изображены следы от ТР и ДР. Видно, что след от ТР имеет диффузный характер, а в ДР след имеет форму четкого пятна. Теория Энгеля-Штеенбека не может объяснить локализацию разрядного тока. Разница в отпечатках говорит о качественном изменении физических процессов в ДР. Остается также открытым вопрос о механизме эмиссии электронов из металла в катодном пятне и др.

Рис. 4. Вид следа электрического разряда при различных режимах горения: а) ТР: U ? 180 B, I ? 0,1 A; б) ДР: U = 40 B, I = 3 A

Физику процессов при ДР раскрывает электродинамическая вихревая модели электрической дуги [Немова 2007: 1]. Сущность модели заключается в формировании вихревого токопроводящего канала при зажигании дуги. Между электродом и изделием возникает канал проводимости, который замыкает цепь тока источника питания дуги между анодом и катодом. Токопроводящий канал представляет собой вихревое движение частиц и все эффекты и явления электрической дуги определяются параметрами и поведением этого канала.

Список использованной литературы

1. Немова Т. Н., Степанов А. П. Вихревой механизм возбуждения электрической дуги // Известия вузов. Физика. - 2007. - Т. 50. - № 9/2. - С. 141-144.

2. Самервилл Дж. М. Электрическая дуга / Перевод с англ.; под ред. Л. Ю. Абрамовича. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 120 с.

3. Финкельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма / Перевод с нем.; под ред. В. А. Фабриканта. - М.: ИЛ, 1961.

4. Ховатсон А. М. Введение в теорию газового разряда / Перевод с англ.; под ред. И. И. Иванчика. - М.: Атомиздат, 1980. - 182 с.

5. Энгель А. Ионизованные газы / Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.

6. Von Engel and Steenbeck M. Electrische Gasentladungen. - Berlin: Springer, 1934.

Размещено на Allbest.ru