Как сделать тлеющий разряд

Обновлено: 08.07.2024

Газы в обычных условиях – диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор:

– между обкладками конденсатора;

– в контактах выключателей.

При высокой температуре и под действием ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения (внешних ионизаторов) газы становятся проводниками.

В этом легко убедиться, если взять заряженный плоский воздушный конденсатор с подключенным к нему электрометром, и нагреть воздух между пластинами.

Природа газового разряда

При внесении пламени между пластинами воздушного конденсатора происходит ионизация газа и возникновение ионов и электронов. Под действием электрического поля они начнут упорядоченно двигаться между пластинами.

Протекание тока через газ называется газовым разрядом.

При удалении пламени ток прекращается вследствие того, что положительные ионы и электроны не могут долго существовать раздельно и воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс называется рекомбинацией .

Газовый разряд, протекающий под действием ионизатора, называется несамостоятельным.

С увеличением разности потенциалов между пластинами кинетическая энергия электрона возрастает настолько, что при соударении его с нейтральной молекулой газа происходит выбивание электрона. Такой процесс называется ударной ионизацией молекул газа. Число электронов и ионов растет лавинообразно, что приводит к увеличению разрядного тока.

Газовый разряд, протекающий в отсутствии ионизатора, называется самостоятельным.

Интенсивность такого газового разряда зависит от напряженности электрического поля между пластинами и давления газа.

Вольтамперная характеристика газового разряда.

ОА – только часть заряженных частиц доходит до электродов, часть их рекомбинирует;

АВ – ток почти не увеличивается (ток насыщения);

ВС – самостоятельный разряд.

Виды газовых разрядов

Искровой разряд – это прерывистый самостоятельный лавинообразный разряд в газе, вызванный ударной ионизацией и сопровождающийся треском и ярким свечением. Искровой разряд возникает при условии, когда мощность источника недостаточна для поддержания непрерывного разряда.

Дуговой разряд впервые был получен в 1802 году российским академиком В. В. Петровым. При соприкосновении электродов в цепи возникает сильный ток короткого замыкания, что приводит к сильному нагреванию электродов. Затем электроды постепенно раздвигаются. Ток продолжает идти через межэлектродное пространство, заполненное высокотемпературной плазмой. Концы электродов раскаляются до 3000-4000 градусов и начинают испаряться.

Дуговой разряд является самостоятельным разрядом в газе и происходит за счет энергии термоэлектронной эмиссии с катода. Является источником сильного светового и ультрафиолетового излучения.

Тлеющий разряд возникает в разряженном газе при сравнительно невысоком напряжении в виде светящегося газового столба. Тлеющий разряд вызывается ударной ионизацией и выбиванием электронов из катода положительными ионами (вторичная ионизация).

Свечение при тлеющем разряде объясняется тем, что при рекомбинации молекул газа высвобождается энергия в виде светового излучения. Свечение будет иметь разные цвета в зависимости от вида газа.

Коронный разряд возникает в сильно неоднородных электрических полях. Например, вблизи острия напряженность электрического поля настолько велика, что ионизация электронным ударом возможна даже при атмосферном давлении. В этой области возникает характерное сферическое свечение в виде короны.

Применение газовых разрядов

Искровой разряд используется в технике в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания дает напряжение 12-15 тысяч вольт. Это достаточно, чтобы между электродами свечи возникла искра для зажигания горючей смеси.

Разновидностью искрового разряда является молния.

Дуговой разряд применяется в качестве мощных источников света (прожекторов), в электроплавильных печах, для электросварки, для ультрафиолетовых излучателей.

Тлеющий разряд используется в рекламных газоразрядных трубках, в лампах дневного света, цифровых индикаторах.

В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

Коронный разряд используется в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц, в работе молниеотвода. В ЛЭП приводит к утечке электроэнергии.

Тлеющий разряд - один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, при низком давлении газа и относительно малом токе. При увеличении же силы тока в разрядном промежутке трансформируется в дуговой разряд.

Тлеющий разряд получил своё название из-за наличия на катоде тонкого слоя так называемого тлеющего свечения. Это свечение обусловлено большим падением потенциала в слое объёмного заряда вблизи катода (рис. 59). Вблизи анода также имеется тонкий слой объёмного заряда. Остальная часть межэлектродного промежутка занята квазинейтральной плазмой. 1 - катодный слой; 2 - катодное тёмное пространство; 3 - положительный столб; 4 - анодный слой.

Для демонстрации используется стеклянная трубка с электродами. Воздух из нее откачивают вакуумным насосом, (рис. 60). Опыт демонстрируют в темноте. При атмосферном

давлении газ в трубке не светится, так как приложенное к нему напряжение недостаточно для его электрического пробоя.

Через несколько секунд работы насоса, когда давление в трубке достаточно снизится, в ней вспыхивает свечение розово-фиолетового цвета. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество. С понижением давления положительный столб распадается на отдельные светящиеся слои - страты Тёмные промежутки между стратами - это участки, в которых свободные электроны плазмы разряда разгоняются межэлектродным электрическим полем. Длина этих промежутков равна средней длине свободного пробега электронов при данном давлении.

Причинами ионизации газа в тлеющем разряде является электронная эмиссия с катода под действием электрического поля, последующая ионизация молекул газа ударами свободных электронов, вырванными с катода и летящих по направлению к аноду, а также вторичная электронная эмиссия с катода вследствие бомбардировки катода положительными ионами газа.

Представленная на рис. 61 последовательность изображений тлеющего разряда в трубке соответствует изменению

давления в ней от 7 мбар (вверху) до 0,06 мбар (внизу) при напряжении между катодом (слева) и анодом (справа) 1 кВ.

Трубки с тлеющим разрядом применяют в качестве источников света - газоразрядных люминесцентных ламп, в которых разряд происходит в парах ртути. Газоразрядные трубки используют также в декоративных целях. Тогда им придают очертания букв или узнаваемых силуэтов и наполняют газом с красивым цветом свечения (неоном, дающим оранжево-красное свечение, или аргоном с синевато-зелёным свечением). Важное применение тлеющий разряд получил в квантовых источниках света - газовых лазерах.

Тлеющий разряд - электрический разряд в газе, характеризующийся термодинамич. неравновесностью и квазинейтральностью возникающей плазмы. Эфф. температура электронов в тлеющем разряде существенно выше температуры газа и электродов, термоэмиссия с к-рых отсутствует. Tлеющие разряды делятся на 2 класса: самостоятельный и несамостоятельный (с внеш. ионизатором). Каждый из этих разрядов подразделяется на виды в зависимости от рода источника электрич. питания: импульсный, стационарный, переменного тока. Каждый вид тлеющего разряда может гореть в покоящемся газе и в потоке газа. Самостоятельные разряды отличаются геометрией: плоской и цилиндрической.

Наиб. подробно изучен тлеющий разряд, горящий в стеклянных трубках, к-рый широко применяется в технике: лампы дневного света, разл. осветит. приборы, газовые лазеры малой и ср. мощности. Тлеющий разряд, горящий между плоскими электродами, используется в тиратроне и импульсных лазерах, тлеющий разряд, горящий в потоке газа,- в плазмохим. реакторах и для накачки активной среды мощных непрерывных и импульсно-периодич. газовых лазеров.

Общие свойства тлеющего разряда

Tлеющий разряд получил своё название из-за наличия на одном из электродов (катоде) т. н. тлеющего свечения (TC, рис. 1). Это свечение обусловлено большим падением потенциала в узком слое объёмного заряда вблизи катода. Вблизи анода также имеется тонкий слой объёмного заряда, наз. анодным слоем (AC). Остальная часть межэлектродного промежутка занята квазинейтральной плазмой. К зоне TC примыкает область фарадеева тёмного пространства (ФТП), переходящая в положительный столб (ПС), к-рый является самостоят. частью разряда, не зависящей от др. слоев разряда.

Рис. 1. Внешний вид и распределение напряжённости электрического поля в тлеющем разряде в трубке:
1 - катодный слой; 2-тлеющее свечение; 3-фарадеево тёмное пространство; 4 - положительный столб; 5 - анодный слой.

Толщина катодного слоя (КС) и его характерные времена весьма малы, поэтому он наиб. автономен и его свойства являются общими для большинства видов тлеющих разрядов. Наличие большого скачка потенциала на КС стационарного тлеющего разряда (200-400 В) обусловлено тем, что поле в КС должно обеспечивать интенсивную ионизацию и усиление ионного и электронного токов. Ширина КС d равна неск. длинам ионизации электроном атомов или молекул газа. Если ср. плотность тока на катоде меньше величины нормальной плотности тока j_н, то TC покрывает лишь часть катода. При увеличении тока площадь, занятая током, увеличивается пропорционально току, а напряжение на КС постоянно и равно нормальному катодному падению. Это важное свойство тлеющего разряда наз. законом нормальной плотности тока. Гидродинамич. модель (Энгеля - Штеенбека) однородного вдоль катода КС постулирует, что величины U_н и j_н равны мин. напряжению и соответствующей ему плотности тока теоретич. вольт-амперной характеристики (BAX). Эта модель правильно описывает подобия законы, наблюдаемые экспериментально: j_н/p 2 , pd_н, U_н зависят только от рода газа и материала катода. Однако количеств. совпадение теории с экспериментом носит скорее случайный характер. Постулат Энгеля - Штеенбека и закон нормальной плотности тока нашли подтверждение в рамках двумерных нестационарных гидродинамич. ур-ний, решённых численными методами (рис. 2).

Рис. 2. Распределение плотности тока на катоде в тлеющем разряде в азоте (расчёт)
при давлении р = 5 тор, межэлектродном расстоянии 1 см;
а - при токе I=0,75 mА, б - при I=1,5 mA.

Аналогичные явления имеют место на аноде тлеющего разряда. Электроны, выходящие из плазмы ПС, ускоряются на скачке потенциала AC и также, как и вблизи катода, производят ионизацию газа. Однако здесь ионизация не столь сильна, но она необходима, т. к. эмиссия ионов с холодного анода отсутствует. В стационарном тлеющем разряде закон нормальной плотности тока проявляется в покоящемся газе, при отсутствии потока газа. Гидродинамич. модель плоского анодного слоя, учитывающая кинетич. эффекты, объясняет законы подобия: j_н/p 2 , U_н зависят только от рода газа. Неустойчивость плоского AC имеет теоретич. объяснение в рамках гидродинамич. ур-ний, в этом приближении структура стационарного анодного пятна определяется диффузией электронов.

Свойства др. областей тлеющего разряда (TC, ФТП и ПС) довольно сильно зависят от вида разряда. Рассмотрим их на примере классич. вида тлеющего разряда - разряда в трубке с электродами на концах.

Тлеющий разряд постоянного тока в трубке

Поскольку толщина КС порядка длины ионизации, часть электронов, ускоряясь на катодном скачке потенциала, набирает энергию, равную этому потенциалу. В результате интенсивной ионизации газа этим пучком электронов в области TC образуется светящийся слой плазмы большой плотности. Величина электрич. поля здесь близка к нулю. По мере продвижения от области TC по направлению к аноду плотность плазмы падает из-за рекомбинации и амбиполярной диффузии, электрич. поле растёт, но ещё недостаточно для ионизации и возбуждения атомов (область ФТП). Далее, в области ПС электрич. поле достигает величины, при к-рой ионизация электронами, набирающими энергию в этом поле, становится существенной. Для электрич. поля в ПС справедлив закон подобия E/p=f(pR), вытекающий из равенства скоростей ионизации и потерь за счёт амбиполярной диффузии к стенкам (теория Шоттки). BAX ПС не зависит от тока, плотность плазмы пропорциональна плотности тока. Для молекулярных газов с ростом тока необходимо учитывать процессы объёмной рекомбинации, приводящие к слабому росту напряжения на ПС, при дальнейшем увеличении тока происходит нагрев газа (для молекулярных газов). В атомарных газах при увеличении тока в первую очередь газ разогревается, плотность его уменьшается и, как следствие, уменьшается напряжение на ПС. BAX при этом падающая.

Электроны в ПС термодинамически неравновесны. Их эфф. темп-pa существенно превосходит температуру атомов и молекул и составляет 2-3 эВ. Это обстоятельство и однородность E/p в длинных трубках используются для создания инверсной населённости атомов и молекул в газовых лазерах.

Плоский самостоятельный тлеющий разряд

Потребности практики в поддержании тлеющего разряда в больших объёмах привели к реализации плоских разрядов, где расстояния между боковыми стенками превышают межэлектродное расстояние L. Плоский разряд используют при средних (10-100 тор) и высоких (>100 тор) давлениях. Плоский тлеющий разряд сохраняет все осн. черты тлеющего разряда в трубке, однако область ФТП определяется балансом процессов амбиполярного дрейфа и рекомбинацией, а потери за счёт диффузии к боковым стенкам несущественны. Поскольку характерный размер ФТП L_ф в этом случае не зависит от давления газа, тлеющий разряд оказывается существенно неоднородным и при ср. давлениях. Напр., для азота L_ф [см ] =0,1/j [A·см -2 ]. Вольт-амперная характеристика ФТП растущая:

В сильноточных разрядах повышенного давления все неоднородные области КС, AC, ФТП малы. 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 (см. Контракция газового разряда) и следующего за этим образования дуги, катод делят на секции, искусственно распределяя ток в среднем равномерно по катоду (рис. 3, а). Такой катод представляет из себя набор штырей, присоединённых через сопротивления к общей шине. При возрастании тока, стекающего на один штырь, напряжение на нём падает, что приводит к ограничению тока. Избежать контракции можно также за счёт поддержания разряда короткое время (~1 мкс), чтобы неустойчивость не успела развиться, т. е. с помощью спец. системы питания реализуют импульсный тлеющий разряд. Однако и в этом случае необходимо принимать спец. 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 объёме создаётся предварительная ионизация с помощью вспомогат. электрода, помещённого вблизи катода или вне разрядного промежутка. При подаче напряжения сначала возникают разряды между катодом и вспомогат. электродом- образуется плазменный катод, затем импульсный тлеющий разряд развивается в основном разрядном промежутке (рис. 3, б). Однородность квазистационарного и импульсного разрядов с секциониров. катодами зависит от расстояния между штырьками. Для стабилизации тлеющего разряда применяются также комбинир. тлеющий разряд и разряд переменного тока.

Рис. 3. Схемы возбуждения самостоятельного тлеющего разряда:
а - импульсного, квазистационарного и стационарного разрядов в потоке газа,
1-анод, 2-штыри или узкие пластины для разряда в потоке газа,
R_б-балластные сопротивления; б- импульсного:
1-катодная пластина,
2 - анод, 3-ёмкость вспомогательного разряда;
в - ёмкостного самостоятельного разряда:
1 -диэлектрические пластины, 2- электроды.

Tлеющий разряд комбинированным и переменного тока

Хотя технически эти виды разряда отличаются весьма существенно, их роднит общность механизма протекания тока. В обоих разрядах ток течёт по рекомбинирующей плазме; ионизация осуществляется в течение короткого промежутка времени периодически с частотой, большей обратного времени рекомбинации. В т. н. комбинир. разряде ионизация происходит при подаче вспомогат. высоковольтных импульсов напряжения на штырьки. Осн. разряд поддерживается между катодом и анодом от источника пост. напряжения. Поскольку плотность плазмы не зависит от пост. напряжения, такой разряд в промежутке между импульсами является несамостоятельным. T. о., комбинир. тлеющий разряд состоит из 2 разрядов: самостоятельного и несамостоятельного.

В разряде переменного тока ионизация осуществляется в момент макс. 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 диэлектрич. проницаемостью (рис. 3, в), являющимся реактивным балластным сопротивлением. Использование такого балласта значительно повышает кпд разряда по сравнению с разрядом пост. тока с активным сопротивлением (рис. 3, а). Механизм протекания тока в тлеющем разряде переменного тока существенно зависит от частоты источника питания и проводимости плазмы s. При низких частотах (10-100 кГц), когда w/4ps > 1 и замыкание тока КС и AC осуществляется токами смещения, необходимость в интенсивной ионизации отпадает, приэлектродные BAX обладают положит. дифференц. сопротивлением, и эти слои оказывают стабилизирующее влияние на разряд.

Несамостоятельный тлеющий разряд

Несамостоятельный тлеющий разряд отличается от самостоятельного тем, что проводимость его поддерживается с помощью внеш. ионизатора (рис. 4). Поэтому важнейшей характеристикой T. p. E/p можно управлять в широких пределах и независимо от тока. Широко распространён несамостоятельный T. р., поддерживаемый пучком быстрых электронов (~200 кэВ). Чем больше ток пучка, тем выше концентрация разрядной плазмы. Структура несамостоятельного тлеющего разряда похожа на структуру самостоятельного тлеющего разряда. На КС внеш. ионизация существ. влияния не оказывает, т. к. ударная ионизация превосходит внешнюю. Этот слой может контрагировать, как и в самостоят. тлеющем разряде. Однако характер контракции здесь иной. Разряд на катоде разбивается на множество пятен (рис. 5). Поскольку ПС несамостоятельного тлеющего разряда обладает большим положит. дифференц. сопротивлением, он оказывает стабилизирующее воздействие на КС и препятствует слиянию пятен. Как и в самостоят. разряде, контракция на катоде не возникает при использовании импульсов малой длительности ( 6 см/с) и существенно изменяют нек-рые характеристики ПС тлеющего разряда: и т. д.

По внеш. проявлению на доменную неустойчивость похожи страты .Однако они имеют др. природу и объясняются действием разл. механизмов усиления ионизации, напр. за счёт ступенчатой ионизации и электрон-электронных соударений.

Литература по тлеющим разрядам

Браун С., Элементарные процессы в плазме газового разряда, [пер. с англ.], M., 1961;
Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, M., 1971;
Веденов А. А., Физика электроразрядных СО₂-лазеров, M., 1982;
Баранов В. Ю., Напартович А. П., Старостин A. H., Тлеющий разряд в газах повышенного давления, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т. 5, M., 1984;
Велихов E. П., Ковалев А. С., Рахимов А. Т., Физические явления в газоразрядной плазме, M., 1987;
Райзер Ю. П., Физика газового разряда, M., 1987;
Голубев В. С., Пашкин С. В., Тлеющий разряд повышенного давления, M., 1990;
Королев Ю. Д., Месяц Г. А., Физика импульсного пробоя газов, M., 1991.

Знаете ли Вы, что, как не тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

В технических устройствах и в научных исследованиях используются разряды различных типов, отличающиеся давлением газа, силой разрядного тока, условиями отвода тепла и другими характеристиками. Для создания в разряде инверсной населенности (для лазерной накачки) необходим разряд особого типа. В случае смеси двух газов - СО₂ и N₂ - пригодным для этих целей стал тлеющий разряд, самоподдерживающийся разряд с холодным катодом. Характерный признак тлеющего разряда - наличие в нем области катодного падения напряжения, в которой образуется большой по величине объемный положительный заряд.

Протяженность этой области порядка нескольких сантиметров, и на этом участке падение напряжения достигает значений от примерно 100 до 400 В и больше. Если расстояние между катодом и анодом меньше того, которое необходимо для образования катодной области, то разряд не возникает. При расстояниях между электродами от 10 см и выше за областью катодного падения образуется положительный столб, отделяемый от анода относительно узкой областью анодного падения напряжения.

Для накачки СО₂ лазеров используется положительный столб тлеющего разряда. Он представляет собой слабо ионизованную плазму, поддерживаемую внешним электрическим полем. Тлеющий разряд может существовать при давлениях газа от 10 2 до 10 тор и разрядных токах, не превышающих ~10 1 А. При очень низких токах или давлениях вместо него образуется так называемый темный таунсендовский разряд. Превышение током или давлением указанных верхних пределов, как видно из графика на рис. 3, переводит тлеющий разряд в дуговой разряд, протекающий уже не при холодном, а при горячем катоде. Дуговой разряд неприемлем для накачки СО₂ лазеров.

Рис. 3. 1область темного таунсендовского разряда; 2 переход к тлеющему разряду; 3 нормальный тлеющий разряд; 4аномальный тлеющий разряд; 5 переход к дуговому разряду; 6 дуговой разряд.

В тлеющем разряде выше давления 100 мм рт. ст. и при обычно используемых плотностях тока возникают неустойчивости, которые приводят к образованию дуги в объеме разряда. Для преодоления этого осложнения к электродам, между которыми происходит поперечный разряд, прикладывают импульсное напряжение. Если длительность импульса достаточно мала (доля микросекунды), то неустойчивости в разряде не успеют развиться и, следовательно, рабочее давление газа можно повысить вплоть до атмосферного и выше. Для предотвращения дугового разряда используется также тот или иной тип предыонизации, которая предшествует возбуждающему импульсу напряжения.

Главное требование к системам газоразрядной предионизации - возможность с их помощью создать в активной среде такую степень начальной ионизации, которая обеспечит последующее развитие основного разряда при значениях Е/р, наиболее благоприятных для избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня 00 о 1 молекулы СО₂. Концентрация электронов, удовлетворяющая такому условию, лежит в пределах от 10 8 до 10 11 см- 3 , но желательно сделать ее как можно ближе к верхнему значению. В процессе протекания основного разряда предионизатор участия не принимает. Наибольшее распространение получили предионизаторы, использующие вспомогательный разряд одного из следующих типов:

· Коронный разряд, обычно образуется между острием или тонкой проволокой, находящимися под высоким напряжением, и заземленным электродом. Коронный разряд неравновесен, при холодном газе электронная температура достигает нескольких электрон-вольт. Такой разряд интенсивно излучает в УФ области спектра, вызывая фотоионизацию газа. Упрощенно устройство лазера с предионизацией коронным разрядом показано на рис. 4. С обеих сторон разрядного промежутка параллельно основным электродам натянуты две тонкие проволочки, обозначенные на рисунке КР. К основным электродам подведено напряжение более низкое, чем необходимо для пробоя разрядного промежутка. Напряжение между проволочками и заземленным основным электродом достаточно для развития с каждой стороны промежутка коронного разряда.

· Создаваемое при этом УФ излучение ионизует разрядный промежуток, и в нем развивается основной разряд, обеспечивающий возникновение импульсной лазерной генерации. От системы предионизации требуют организации высокой однородности начальной концентрации электронов в разрядном промежутке. Это необходимо для получения стабильного и эффективного основного разряда при атмосферном давлении газовой смеси. Предионизационная система, использующая коронный разряд, создает однородную ионизацию только при относительно малых поперечных сечениях разрядного промежутка, поскольку ультрафиолетовое излучение активно поглощается в газе и при больших сечениях центральные области разрядного промежутка оказываются непроработанными. Это накладывает серьезные ограничения на применение таких систем.

· Множественные искровые разряды. Предионизатор такого типа широко используется во многих лазерных системах средней мощности. Система множественных искровых разрядов создана Ричардсоном в 1973 году. На рис. 5 приведена электрическая схема предионизатора этого типа. Анод основного разрядного промежутка выполнен в виде сетки из нержавеющей стали, натянутой между изоляторами. Под сеткой расположены игольчатые электроды, например, в 6 рядов по 100 иголок в каждом ряду. Основной разряд формируется с использованием высоковольтной импульсной системы питания, работающей на базе двухкаскадного генератора Маркса с удвоением напряжения источника питания.

Накопительные емкости Сs = 0,1 мкФ заряжаются от высоковольтного выпрямителя до номинального напряжения. Триггерный разрядник Р1 после подачи на его управляющий электрод запускающего импульса пробивается и переключает конденсаторы Сs из параллельного в последовательное соединение. В результате неуправляемые разрядники Р2 и Р3 оказываются под удвоенным напряжением, вызывающим их пробой и подведение напряжения к основным электродам и к вспомогательному разрядному промежутку между иголками и анодом. Подведенного напряжения недостаточно, чтобы пробить основной разрядный промежуток, но хватает для появления множественных искровых разрядов между иголками и анодом.

Искровые разряды создают интенсивное УФ излучение, производящее фотоионизацию разрядного промежутка. Если уровень ионизации будет достаточно высоким, то в основном промежутке лавинообразно протекает импульс основного разряда между катодом и анодом. Тем самым создаются условия для проявления лазерного эффекта. При участии такой системы предионизации удается вложить в активную среду энергию, превышающую 300 Дж/л. А так как к.п.д. преобразования вложенной энергии в лазерное излучение в среднем составляет 10%, то активная среда генерирует излучение на уровне 30 Дж/л.

Предионизация барьерным разрядом. Барьерным называют разряд, который протекает через диэлектрик за счет токов смещения. Такая форма разряда может существовать только в режиме коротких импульсов. Один из вариантов схемы предионизации барьерным разрядом представлен на рис. 6 .

Основной разрядный промежуток расположен между катодом (К) и анодом (А). В устройстве, рассматриваемом на рисунке, анод и катод представляют собой дюралюминиевые пластины. В теле катода фрезеруются поперечные пазы, в которые уложен тонкий провод в надежной изоляции (пи).

Источник питания заряжает накопительные емкости С₁ и С₂, которые первоначально соединены параллельно. Подача на триггерный разрядник Р₁ запускающего импульса напряжения вызывает пробой разрядника, что ведет к переключению емкостей из параллельного в последовательное соединение. Это двухкаскадная схема Маркса. Напряжение на накопительной батарее удваивается, и это приводит к пробою неуправляемого разрядника Р₂. В результате между анодом и катодом появляется напряжение, но его величина недостаточна для пробоя газа в разрядном промежутке. Однако через разделительную емкость С₃ то же напряжение прикладывается между вспомогательным проводом (пи) и катодом. Через изоляцию провода проходит ток смещения и над катодом возникает диффузный разряд, создающий ультрафиолетовое излучение, способное осуществить фотоионизацию разрядного промежутка. Это и есть разряд барьерного типа, он как бы покрывает собой всю поверхность катода. Длительность такого разряда не превышает десятков наносекунд, но этого достаточно, чтобы создать необходимую начальную ионизацию. Тогда напряжение, приложенное к основным электродам, оказывается достаточным, чтобы вызвать протекание разрядного тока в ионизованном основном промежутке и произвести импульс накачки активной среды.

Описанная система предионизации оказалась эффективной, с ней получены съемы когерентного излучения от 30 до 50 Дж/см 3 при к.п.д. до 15%. Для повышения эффективности предионизации в рабочую газовую смесь вводились в виде небольших добавок легкоионизуемые вещества. Для предионизации активной среды импульсных СО₂ лазеров используются также и некоторые другие виды вспомогательных разрядов, например, поверхностные разряды на диэлектрике, но они не получили широкого распространения.

На рис. 3-26, а показан внешний вид тлеющего разряда, характеризующийся чередованием темных и светящихся слоев газа, носящих названия:

первая катодная темная область;
первое катодное свечение;
вторая катодная темная область;
второе катодное свечение (катодное тлеющее свечение);
фарадеева темная область;
столб разряда;
анодная темная область;
анодное свечение.

Рис. 3-26. Тлеющий разряд:
а - внешний вид;
б -распределение интенсивности свечения;
в - распределение потенциала;
г - напряженность поля;
д - распределение объемных зарядов.

Катодное падение потенциала при нормальном тлеющем разряде (свечением покрыта только часть поверхности катода) зависит от материала катода и рода газа и не зависит от давления газа и тока (табл. 3-16).

Ширина области нормального катодного падения потенциала зависит от материала катода и рода газа. Зависимость от давления газа определяется соотношением .

Для нормального тлеющего разряда характерна пропорциональность между площадью катода, покрытой свечением, и током, т. е. постоянная (нормальная) плотность тока на катоде (табл. 3-17).

Нормальные плотности тока на катоде , при

При изменении давления газа р0 нормальная плотность тока изменяется по закону

где - нормальная плотность тока на катоде при ; - постоянная, зависящая от геометрии электродов и рода газа. При плоских электродах обычно (для Ne=1,5).

Когда при увеличении анодного тока вся поверхность катода покрывается свечением, катодное падение потенциала начинает возрастать с увеличением плотности тока. Такое катодное падение называется аномальным катодным падением потенциала, а сам разряд называется аномальным тлеющим разрядом.

При аномальном тлеющем разряде увеличение плотности тока сопровождается уменьшением ширины участка катодного падения потенциала.

На рис. 3-27 приведены рассчитанные теоретически универсальные кривые зависимости аномального катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения потенциала от плотности тока . Их совпадение с экспериментальными данными удовлетворительно для инженерных расчетов.

Рис. 3.27

Прикатодные области разряда 1-4 (рис. 3-26), в которых сосредоточено катодное падение потенциала, являются жизненно необходимыми для существования тлеющего разряда. Участки 5 (фарадеева темная область) и 6 (столб разряда) являются пассивными участками разряда с хорошей электропроводностью, связывающими анод с катодными областями разряда.

В столбе разряда газ находится в сильно ионизированном состоянии, причем концентрации электронов и ионов примерно равны, т. е. объемный заряд компенсирован. Газ, находящийся в таком состоянии, называется плазмой.

При сближении анода с катодом сокращается, а затем исчезает столб разряда.

Дальнейшее сближение электродов на некоторое критическое расстояние приводит к исчезновению анодных участков разряда. При этом падение напряжения на разряде уменьшается на величину анодного падения потенциала, примерно равную ионизационному потенциалу газа.

Дальнейшее сближение электродов приводит к исчезновению фарадеевой темной области. Затем начинает исчезать тлеющее свечение. При этом падение напряжения на приборе резко возрастает (затрудненный разряд).

Зависимость относительных значений катодного падения потенциала и ширины участка катодного падения от относительного значения плотности тока при аномальном тлеющем разряде.

Читайте также: