Descărcarea arcului cu catod încălzit

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 31 martie 2022; verificarea necesită 1 editare .

O descărcare de arc cu un catod încălzit este o descărcare de arc neauto-susținută , în care sursa principală de electroni este emisia termoionică , pentru care catodul este încălzit artificial de la un dispozitiv auxiliar. Electronii emiși de catodul încălzit contribuie la inițierea și arderea descărcării. [1] Aproape toată tensiunea dintre electrozii săi cade în regiunea din apropierea anodului, iar restul spațiului camerei este umplut cu o plasmă luminoasă omogenă., care are aproape potențialul anodului. O descărcare cu arc de acest tip face posibilă obținerea unei plasme omogene de descărcare în gaz de mare densitate în volume de până la câțiva metri cubi. Rețineți că această descărcare este o sursă de plasmă de neechilibru, adică temperatura electronilor este de zeci de mii de grade, în timp ce temperatura ionilor și atomilor neutri rămâne la temperatura camerei.

Schema de conexiuni

Mecanism

Electronii emiși de catodul încălzit zboară din stratul catodic subțire cu aproape aceeași viteză și ionizează gazul, formând o plasmă care umple restul volumului. Ionizarea se realizează prin mișcări directe și trepte. Plasma interacționează cu stratul catodic în așa fel încât cât mai mulți ioni din plasmă intră în strat este necesar pentru a menține un regim de descărcare staționară.

La catodul oricărui arc, au loc procese tipice pentru acesta, oferind un curent de descărcare mare. Într-un arc cu catod încălzit, cel mai important proces este împrăștierea de către ionii pozitivi a unei sarcini spațiale negative generate în apropierea catodului de către termoelectroni.

În dispozitivele care utilizează o descărcare cu arc, dimensiunile liniare ale electrozilor, intervalul de descărcare și vasul sunt de obicei de aceeași ordine, astfel încât să nu se dezvolte o coloană pozitivă. Prin urmare, este rezonabil să presupunem că arcul este construit din două forme simple de descărcare care interacționează: straturi subțiri care acoperă pereții tubului și electrozii și plasmă care umple restul volumului de descărcare.

În stratul care acoperă electrodul, apare un câmp electric puternic datorită acțiunii sarcinilor spațiale necompensate, care ecranează perturbația introdusă în plasmă de electrod. Această perturbație nu se extinde dincolo de grosimea stratului stratului catodic.Distribuția potențialului φ și a câmpului E în strat este calculată folosind ecuația Poisson :

-\nabla ^{2}\varphi =\mathrm {div} E=4\pi e_{0}(n_{p}-n_{e})

Unde și este concentrația de electroni și ioni. În funcție de natura stratului, este posibil atât pentru , cât și pentru . În general, plasma este cvasi-neutră, iar gradientul potențial din ea este mult mai mic decât câmpul mediu din strat. $n_{p}$ $n_{e}$ $n_{p}\gg n_{e}$ $n_{e}\gg n_{p}$

Fenomenele care apar în apropierea catodului depind în mod semnificativ de mărimea curentului de descărcare în comparație cu curentul de emisie (curent de saturație), care la o temperatură constantă poate crea un catod fără influența unui câmp extern.

Modul de funcționare al catodului este numit liber dacă curentul de descărcare nu depășește curentul de emisie și neliber atunci când o face.

În modul liber, emisivitatea catodului nu este utilizată pe deplin. Acest lucru se explică prin faptul că în apropierea catodului, potențialul trece printr-un minim, având o valoare mai mică decât potențialul catodic, motiv pentru care unii dintre electronii care părăsesc catodul la viteze suficient de mici nu pot trece prin minimul potențialului în plasmă și se întoarce înapoi la catod. Câmpul electric din învelișul catodului dispare de două ori: la minimul potențialului (punctul A) și la limita învelișului cu plasma (punctul B). Astfel, calculul învelișului catodului în modul liber se reduce la integrarea ecuației Poisson pentru potențiale date ale catodului, limita plasmei și condițiile la limită , . $E_{A}=0$ $E_{B}=0$

În cazul limitativ, când curentul de descărcare este egal cu curentul de emisie, câmpul electric nu promovează, dar nu împiedică scăparea electronilor din catod, minimul potențial dispare, câmpul dispare pe suprafața catodului și toate electronii emiși de catod trec în plasmă.

În modul non-liber, curentul de descărcare poate depăși de mai multe ori curentul de emisie. Această împrejurare conduce la presupunerea că în acest caz intră în joc fenomene precum încălzirea catodului, efectul Schottky și ejecția electronilor de către ionii pozitivi.

Căderea potențialului catodic este ceva mai mare decât în cazul modului liber, nu există un minim de potențial în apropierea catodului, iar câmpul electric dispare în învelișul catodului doar la limita cu plasma.

Caracteristica volt-amper

Manifestări externe, mecanismul de descărcare depinde puternic de condițiile de existență a acestuia: presiunea și puritatea gazului, puterea curentului, forma balonului, rezistența în circuitul extern etc. Să luăm în considerare caracteristica curent-tensiune a arcului la o presiune > 0,1. mm Hg.

Întreaga caracteristică poate fi împărțită în mai multe părți corespunzătoare curenților diferiți.

În regiunea curentă 1, tensiunea arcului este sub potențialul de ionizare , iar în gaz are loc o descărcare pur electronică (cu ciocniri elastice). $U_{i}$

Când tensiunea arcului depășește potențialul de ionizare, curentul de descărcare crește brusc (regiunea 2) și tensiunea arcului se modifică destul de puțin. În mare parte, ciocnirile ionizante directe au loc într-un gaz.

Cu o creștere suplimentară a curentului (regiunea 3), tensiunea arcului scade brusc. Aici are loc o ionizare treptată notabilă, datorită căreia capacitatea de ionizare a fiecărui electron crește.

În a patra regiune, tensiunea arcului depinde foarte slab de mărimea curentului de descărcare, rămânând aproape neschimbată.

Odată cu o creștere suplimentară a curentului în a cincea regiune, tensiunea crește, iar în a șasea regiune descărcarea devine auto-susținută.

În zonele 3 și 6, arcul are o caracteristică de cădere și rezistența sa este negativă . În a treia regiune, la presiuni de la 0,3 mm Hg. Artă. iar mai sus, se observă uneori relaxare, oscilații nesinusoidale ale tensiunii arcului.

La presiuni mai mici, aceste oscilații nu apar, dar apar oscilații de plasmă de frecvență mai mare ( Hz), care apar și în regiunea 4, unde intensitatea lor scade pe măsură ce se apropie curentul de emisie Iem. $f=10^{6}$

Dacă coborâm treptat temperatura T a catodului și, prin urmare, reducem curentul de emisie, păstrând presiunea gazului neschimbată, atunci regiunea 4 va scădea și se va deplasa în sus de-a lungul caracteristicii (în figura ). $T_{1}<T_{2}<T_{3)$

Aplicație

O descărcare cu arc neauto-susținut cu catod încălzit este utilizată pentru tratarea suprafeței produselor: curățare cu plasmă, gravare , activare etc. [2] În trecut, o descărcare cu arc cu catod încălzit a fost utilizată pe scară largă la putere mare. dispozitive electronice cu descărcare în gaz: tiratroni , ignitroni , gastroni .

Note

↑ Universitatea de Stat din Petrozavodsk . Aprinderea unei descărcări de arc cu un catod încălzit . Preluat: 2 decembrie 2011. (nedefinit)
↑ Institute of High Current Electronics SB RAS . Sursă de plasmă cu catod încălzit . Consultat la 27 noiembrie 2011. Arhivat din original pe 16 decembrie 2013. (nedefinit)

Vezi și

Literatură

Granovsky VL Curentul electric în gaz. curent constant. — 1971.
Vintizenko L.G., Grigoriev S.V., Koval N.N. și alții. Descărcări cu arc de joasă presiune cu catod gol și aplicarea lor în generatoare de plasmă și surse de particule încărcate Izvestia instituțiilor de învățământ superior, Fizică, Nr. 9,. — 2001.