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

53282. HANDOUT 85 KB
  Fats and sugars are things like oils, biscuits, sweets, chocolate and ice cream. These foods give us energy and are important for our nervous system. But too much of this food can make you fat and can be bad for your teeth. You should not eat more than two sweet or fatty things a day.
53283. Святкування Нового року 69.5 KB
  In England we do not stay at home on the New Year’s Day. We go for a walk to the central square. We listen to the strikes of the largest clock in Great Britain – Big Ben and enjoy the New Year coming. We celebrate Christmas on the 25th of December. On this day our Christmas holiday begin. That is why we like Christmas so much. Soon it will be the New Year , so I sent a postcard to all of you and wish you a happy New Year.
53284. Загальна характеристика дешифраторів 136.5 KB
  У загальному випадку дешифратор має n однофазних входів іноді 2n парафазних і m=2ⁿ виходів де n – розрядність довжина коду який дешифрується. Індекс функції Fi визначає номер обраного виходу і відповідає десятковому еквіваленту вхідного коду. Тому дешифратор є перетворювачем вхідного позиційного коду в унітарний вихідний код.
53285. Традиційне харчування українців 63.5 KB
  Учень: Локшина лапша тісто. Учень: Лемішка кашоподібна мучна страва. Учень: Соломаха – кашоподібна страва подібна до лемішки однак варили її дещо інакше. Учень: Тетеря рябко – страва типу кулешу що готувалась з пшона заправлялась рідким гречаним або житнім тістом.
53286. Сценарій свята в дитячому садку «В українській хаті з Осінню на святі» 47 KB
  Дитина №1: З добрим урожаєм вас вітаємо І здоров’я вам бажаємо Під веселий дружний спів Посилаємо уклін Пісня Осінь починається Дитина №2: Завітала осінь до нас на Україну Одягла в червоне намисто калину Дитина №3 Жовте листячко кружляє І доріжки вистеляє Дитина №4 Хмарки в небі пропливають Рясним дощиком лякають Дитина №5 Листячко зелене золотистим стало Осінь чарівниця все розмалювала Дитина №6 Все розмалювала скрізь поприбирала Дитина №7 Жовті колосочки в комору поклала Дитина №8 Пісню журавлину осінь принесла Ягідки калини нам...
53287. HEALTH AND BODY CARE 49.5 KB
  Hello, Children. Today we will speak about very important things in our life. What is important for you? (Запитання до учнів. Вони дають різні відповіді). Look at the blackboard, you can see proverbs theree: “A sound mind in a sound body” “An apple a day keeps the doctor away”. So theme of our lesson is “Health and body care”
53288. What is health for you? 74.5 KB
  A lot of years passed. The men decided to return to their wives and children. They were happy to be again with their families. In the evening, when they opened their sacks, they found out that their stones disappeared. One of them found beautiful flowers in his sack. They were Health, Love, Happiness and Friendship. He gave these flowers to his children and asked to guard them so that they should never leave their family. He told his children that those beautiful flowers were the values of life.
53289. Money is not everything. You can buy a doctor but not heath 151.5 KB
  There is no more important than health. I hope you agree with me. If your body suffers from any disorder, your mind suffers with the body, too. You can’t be good either at work or at studies. Aches and pains lead to irritation, nervous breakdown, exhaustion and apathy.