19226

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ СТОЛБ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА

Лекция

Физика

Положительный столб тлеющего разрядА Тлеющий разряд открытый еще в XIX веке стал детально исследоваться с появлением основных соотношений физики плазмы для различных процессов свойственных газовым разрядам. К наиболее важным областям разряда наряду с катодной обл

Русский

2013-07-11

111.5 KB

8 чел.

Положительный столб тлеющего разрядА

Тлеющий разряд, открытый еще в XIX веке, стал детально исследоваться с появлением основных соотношений физики плазмы для различных процессов, свойственных газовым разрядам. К наиболее важным областям разряда наряду с катодной областью, где происходит основная ионизация нейтральных частиц, следует также отнести положительный столб, имеющий наибольшую протяженность. При создании тлеющего разряда в стеклянных трубках, положительный столб, как и катодная область, обладает значительным свечением. С помощью различных газов можно получить разнообразную цветовую окраску тлеющего разряда. Положительный столб тлеющего разряда нашел практическое применение не только в ряде осветительных устройств, но и в качестве рабочей (инверсной) среды для газовых лазеров.

Рассмотрим основные процессы, характерные для положительного столба (1) тлеющего разряда (рис.1а). Ход потенциала и напряженности электрического поля вдоль оси тлеющего разряда представлен на рис.1 б,в. Для распределения потенциала в области положительного столба  типичен слабый рост, а для напряженности поля  E  практически постоянное значение. С электротехнической точки зрения положительный столб замыкает катодную область (2) на анод.

                                                                  

                                                          а)

                                                          б)

                                                                 в)

                                       Рис.1                                                                                   

                                                      

                                                                                                                                                                                                                   

Меньшее значение напряженности электрического поля в положительном столбе свидетельствует о более слабых процессах ионизации по сравнению с катодной областью (2), из которой поступает большинство электронов (рис.1а). Ввиду этого, данные заряженные частицы в положительном столбе будут участвовать в дрейфовом движении вдоль оси разряда. Другими процессами в положительном столбе будет являться диффузионное движение заряженных частиц и рекомбинация в объеме разряда и на стенках камеры.

Рассмотрим диффузионное движение в положительном столбе. Предположим, что радиальный диффузионный поток электронов направлен к стеклянной стенке камеры (3) (рис.1а). Тогда произойдет накопление электронов на данной внутренней поверхности камеры и она приобретет отрицательный заряд. Этот процесс вызовет искажение эквипотенциалей электрического поля (рис.2), которые первоначально располагаются почти эквидистантно и перпендикулярно оси разряда. Данная форма эквипотенциалей вызовет появление радиальной составляющей электрического поля, и соответственно притяжение ионов к стенкам камеры. В результате на стенке будет происходить нейтрализация ионов. Данный диффузионный процесс, связанный с движением отрицательных и положительных частиц, является амбиполярной диффузией.

                                                                                            Рис.2

Данные процессы в положительном столбе входят в общее уравнение, которое записывается в виде:

                                     

Где  n – концентрация плазмы, - коэффициент амбиполярной диффузии, а величина  q – характеризует процессы ионизации и объемной рекомбинации.

Для стационарного условия (), при учете радиального диффузионного движения данное уравнение записывается следующим образом:                                      

                  

Где - поперечная часть лапласиана, – коэффициент ионизации электронами, - коэффициент рекомбинации. Ввиду того, что данное уравнение имеет достаточного сложный вид, существуют решения для более простых случаев. Например, рассматривается случай диффузионного движения вдоль оси разряда или вдоль его радиуса. Слагаемым,  описывающим рекомбинацию, при этом пренебрегают.                        

 Рассмотрим уравнения для осевого движения. Предположим, что длина свободного пробега электрона значительно меньше радиуса разрядной трубки и средние тепловые скорости электронов и ионов равны  ve = vi = v. Запишем уравнения для ионов и электронов:

                       

                      

Где   - тепловые скорости ионов и электронов, Di , De – их коэффициенты диффузии, и , - их подвижности. Для случая квазинейтральной плазмы  ni  = ne = n  средняя скорость выразится в виде:

                      

Для диффузионного потока частиц можно записать следующее равенство:

                      

В результате для коэффициента амбиполярной диффузии можно записать следующую формулу:

                      

В данное выражение входят коэффициенты диффузии и подвижности электронов и ионов.

  Рассмотрим уравнение для диффузионного движения в радиальном направлении. Запишем выражение для числа электронов N, диффундирующих через цилиндрическую поверхность радиуса  r  в единицу времени:

                    

На поверхности  радиуса  r + dr  уравнение запишется в виде:

                    

Скорость убыли ионов, ввиду диффузии в этом объеме будет равна:

                    

                    

Данное уравнение аналогично уравнению для радиального течения тепла в цилиндре. Для поддержания проводимости в плазме скорость убыли ионов  должна быть равна скорости образования ионов при ионизации электронами:

                   

Где  - коэффициент ионизации электронами. Тогда уравнение для радиальной диффузии примет вид:

                  

Или при введении обозначения  :

                  

После интегрирования данного уравнения, решение записывается в виде функции Бесселя нулевого порядка:

                          

Где  n0  - концентрация на оси установки.

                        

      Рассмотрим вопрос, связанный с переходом к тлеющему разряду от других видов разрядов. Представим достаточно типичную вольтамперную характеристику данных разрядов (рис.3). Более слаботочным относительно тлеющего разряда является таунсендовский (темновой) разряд. При увеличении тока разряда (участок  АВ) за счет увеличения э.д.с. источника питания    или за счет уменьшения сопротивления нагрузки  R  напряжение на разряде падает и разряд переходит к нормальному тлеющему разряду (участок BC). Нормальный тлеющий разряд характеризует постоянный участок напряжения при возможности изменения тока через разряд. При этом специфической особенностью разряда является факт, что плотность тока на катоде остается неизменной, а увеличение тока происходит за счет увеличения площади, которую разряд занимает на катоде.

                     

                                                                                    Рис.3

В какой-то момент разряд занимает всю площадь катода (точка С) и тлеющий разряд переходит в аномальную стадию (участок  CD). При увеличении тока начинает расти и плотность тока, что постепенно меняет характер процессов на катоде. При разогреве катода на нем начинает преобладать термоэлектронная эмиссия и после максимума зависимости (точка D) начинается переход к дуговому разряду (участок DE). Дуговой разряд обычно зажигается при тока порядка   I~1 А, что происходит на участке EF.

Нормальная и аномальная стадия тлеющего разрядов представлена на рис.4.  Данный разряд был осуществлен в неоне при пониженном давлении и при использовании медных электродов (эл = 9,3 см, d=1,6 см).

                Рис.4

Можно обратить внимание, что наилучший вид нормального разряда присутствует при давлении  p=15 торр, а с уменьшением давления участок нормального разряда уменьшается.


3

2

1

+

А

UА

UК

x

d

d

x

+

C

A

F

E

D

B

/R

I

U

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

I, A

0

0,4

0,8

1,2

U,

кВ

p=15 торр

p=0,44 торр

p=0,43 торр

нормальный

аномальный


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46424. Вдосконалення системи освітлення типових приміщень СФС 905.5 KB
  Розраховані параметри системи освітлення для трьох приміщень (приміщення для проведення занять, лабораторії відображень та коридору). Показано, що в залежності від призначення приміщення вимоги до системи освітлення змінюються. Спроектовано схеми та вибрано тип освітлювальних приладів для нормального освітлення персоналу на робочому місці.
46425. ОПІР МАТЕРІАЛІВ. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ 925.5 KB
  Підібрати переріз заданої форми і визначити переміщення перерізу А. Для цього необхідно: відкинувши зайвий зв'язок побудувати найбільш раціональний варіант основної системи; завантаживши основну систему заданим навантаженням і зайвим зусиллям Х1 що заміняє дію відкинутого зв'язку побудувати еквівалентну систему; записати канонічне рівняння методу сил; завантажити основну систему по черзі заданим навантаженням і одиничною силою Х1 записати вирази для згинальних моментів від заданих сил Мрх і одиничної сили М1х при...
46426. Анализ имущества предприятия и источников его финансирования 18.76 KB
  Состав имущества предприятия Имущество находящееся в собственности предприятия подразделяется на недвижимое и движимое. Структура источников финансирования предприятия Источниками собственных средств предприятия являются: уставный капитал добавочный капитал резервный капитал фонд социальной сферы целевые финансирования и поступления нераспределенная прибыль отчетного года и прошлых лет III раздел пассива баланса. Иначе говоря уставный капитал зарегистрированная в уставе предприятия часть собственного капитала.
46427. Отраслевой рынок 18.88 KB
  Закупка продовольствия в экономике ситуация на рынке для которой характерно ограниченное число потребителей и большое число продавцов производителей. На таком рынке продавцы очень чувствительны к политике ценообразования и маркетинговым стратегиям друг друга. Монополия 1 крупная компания корпорация объединяющая несколько компаний и достигающая благодаря этому положения на рынке определенного товара или группы товаров когда рынок имеет только одного продавца и множество покупателей. В ряде случаев...
46428. Ж.Пиаже: «Теория Пиаже» 18.92 KB
  Поэтому проблема познания эпистемологическая проблема не может рассматриваться отдельно от проблемы развития интеллекта. 3 Для теории развития очень важно не упустить из виду активность субъекта. Ассимиляция и аккомодация 5 Фундаментальные психологические связи рождающиеся в ходе развития состоят из ассимиляции как биологической так и интеллектуальной. 8 В развитии интеллекта ребенка существует много типов равновесия между ассимиляцией и аккомодацией которые варьируются вместе с уровнем развития и проблемами подлежащими решению.
46429. Основные закономерности ребенка раннего возраста 18.93 KB
  Именно в ней происходит приобщение ребёнка к культуре в ней формируются главные психологические новообразования этого периода: речь нагляднодейственное и образное мышление познавательная активность целенаправленность и пр. Ещё одним важнейшим направлением развития предметной деятельности является формирование целенаправленности и настойчивости действий ребёнка. Известно что деятельность ребёнка до 2х лет имеет процессуальный характер: малыш получает удовольствие от самого процесса действий их результат ещё не имеет какоголибо...
46430. «Сталинская» конституция 1936 г.: структура, особенности, права и обязанности граждан 18.95 KB
  Проект новой Конституции СССР был подготовлен к середине мая 1936 г. конституционной комиссией избранной на VII съезде Советов СССР. Конституция СССР была принята.: 1 СССР все более превращался в мощную промышленную державу утрачивались черты аграрноиндустриального государства; 2 капиталистические черты экономики были заменены социалистическими; 3 социалистическая собственность на орудия и средства производства окончательно утвердилась; 4 исчезли эскплуататорские классы; 5 образовалось колхозное крестьянство; 6 наметилась дальнейшая...
46431. Function words 18.95 KB
  A composite preposition is indivisible both syntactically and semantically, that is, no element of it can be varied, abbreviated, or extended according to the normal rules of syntax. Thus in the composite preposition for the sake of neither the definite article nor the preposition can be replaced by words of similar meaning
46432. Революция 1905-1907 гг. и ее итоги 18.97 KB
  Россия входила в число пяти крупнейших промышленных держав мира но почти все слои русского общества были недовольны своим положением. РОССИЯ В НАЧАЛЕ XX ВЕКА. Россия вошла в XX век огромной страной с почти неисчерпаемыми людскими и природными ресурсами. Россия была многонациональной империей ее населяли люди говорившие на десятках языков исповедовавшие разные веры православие ислам буддизм католицизм язычество принадлежавшие к разным культурам.