Ljusbågsurladdning med uppvärmd katod

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 31 mars 2022; verifiering kräver 1 redigering .

En ljusbågsurladdning med en uppvärmd katod är en icke-självförsörjande ljusbågsurladdning , där huvudkällan för elektroner är termionisk emission , för vilken katoden värms artificiellt från en hjälpanordning. Elektronerna som emitteras av den uppvärmda katoden bidrar till initieringen och förbränningen av urladdningen. [1] Nästan all spänning mellan dess elektroder faller på området nära anoden, och resten av kammarutrymmet är fyllt med en homogen lysande plasma , som har nästan anodens potential. En ljusbågsurladdning av denna typ gör det möjligt att erhålla en homogen gasurladdningsplasma med hög densitet i volymer upp till flera kubikmeter. Observera att denna urladdning är en källa till icke-jämviktsplasma, det vill säga elektronernas temperatur är tiotusentals grader, medan temperaturen för joner och neutrala atomer förblir vid rumstemperatur.

Kopplingsschema

Mekanism

Elektronerna som emitteras av den uppvärmda katoden flyger ut ur det tunna katodskiktet med nästan samma hastighet och joniserar gasen och bildar ett plasma som fyller resten av volymen. Jonisering utförs genom direkta och stegvisa slag. Plasman interagerar med katodskiktet på ett sådant sätt att så många joner från plasman kommer in i skiktet som är nödvändigt för att upprätthålla en stationär urladdning.

Vid katoden av varje båge inträffar processer som är typiska för den, vilket ger en stor urladdningsström. I en båge med en uppvärmd katod är den viktigaste processen spridningen av positiva joner av en negativ rymdladdning som genereras nära katoden av termoelektroner.

I anordningar som använder en ljusbågsurladdning är de linjära dimensionerna på elektroderna, urladdningsgapet och kärlet vanligtvis av samma ordning, så att en positiv kolumn inte utvecklas. Därför är det rimligt att anta att ljusbågen är uppbyggd av två samverkande enklaste urladdningsformer: tunna skikt som täcker rörväggarna och elektroderna, och plasma som fyller resten av urladdningsvolymen.

I skiktet som täcker elektroden uppstår ett starkt elektriskt fält på grund av verkan av okompenserade rymdladdningar, som avskärmar störningen som förs in i plasmat av elektroden. Denna störning sträcker sig inte längre än katodskiktets skikttjocklek. Fördelningen av potential φ och fält E i skiktet beräknas med hjälp av Poisson-ekvationen :

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

Var och är koncentrationen av elektroner och joner. Beroende på lagrets karaktär är det möjligt för både , och . På det hela taget är plasman kvasi-neutral, och potentialgradienten i den är mycket mindre än medelfältet i lagret. $n_{p}$ $n_{e}$ $n_{p}\gg n_{e}$ $n_{e}\gg n_{p}$

De fenomen som uppstår nära katoden beror väsentligt på storleken på urladdningsströmmen jämfört med emissionsströmmen (mättnadsström), som vid konstant temperatur kan skapa en katod utan påverkan av ett yttre fält.

Katodens driftläge kallas fri om urladdningsströmmen inte överstiger emissionsströmmen, och icke-fri när den gör det.

I fritt läge utnyttjas inte katodens emissivitet fullt ut. Detta förklaras av det faktum att nära katoden passerar potentialen genom ett minimum, med ett lägre värde än katodpotentialen, vilket är anledningen till att en del av elektronerna som lämnar katoden med tillräckligt låga hastigheter inte kan bryta igenom potentialminimum till plasma och återgå till katoden. Det elektriska fältet i katodhöljet försvinner två gånger: vid potentialminimum (punkt A) och vid höljets gräns mot plasma (punkt B). Således reduceras beräkningen av katodhöljet i det fria läget till att integrera Poisson-ekvationen för givna potentialer för katoden, plasmagränsen och randvillkoren , . $E_{A}=0$ $E_{B}=0$

I det begränsade fallet, när urladdningsströmmen är lika med emissionsströmmen, främjar inte det elektriska fältet , men förhindrar inte läckage av elektroner från katoden, potentialminimum försvinner, fältet försvinner på katodytan, och allt elektronerna som emitteras av katoden passerar in i plasmat.

I det icke-fria läget kan urladdningsströmmen överstiga emissionsströmmen flera gånger. Denna omständighet leder till antagandet att i detta fall kommer sådana fenomen som katodens uppvärmning, Schottky-effekten och utstötning av elektroner med positiva joner in.

Katodpotentialfallet är något större än i fallet med den fria moden, det finns inget potentialminimum nära katoden, och det elektriska fältet försvinner i katodhöljet endast vid gränsen till plasmat.

Volt-ampere karakteristik

Externa manifestationer, urladdningsmekanismen är starkt beroende av villkoren för dess existens: gastryck och renhet, strömstyrka, ballongform, motstånd i den externa kretsen, etc. Låt oss betrakta bågens strömspänningskarakteristik vid ett tryck > 0,1 mmHg.

Hela karaktäristiken kan delas upp i flera delar som motsvarar olika strömmar.

I strömområdet 1 är bågspänningen under joniseringspotentialen och en rent elektronisk urladdning sker i gasen (vid elastiska kollisioner). $U_{i}$

När bågspänningen överstiger joniseringspotentialen stiger urladdningsströmmen kraftigt (region 2) och bågspänningen ändras ganska lite. Mestadels sker direkta joniserande kollisioner i en gas.

Med ytterligare ökning av strömmen (region 3) minskar bågspänningen kraftigt. Här sker en märkbar stegvis jonisering, på grund av vilken joniserande förmåga för varje elektron ökar.

I det fjärde området beror bågspänningen mycket svagt på storleken på urladdningsströmmen, förblir nästan oförändrad.

Med en ytterligare ökning av strömmen i den femte regionen ökar spänningen, och i den sjätte regionen blir urladdningen självförsörjande.

I områdena 3 och 6 har bågen en fallkarakteristik och dess motstånd är negativt . I det tredje området, vid tryck från 0,3 mm Hg. Konst. och ovanför observeras ibland avslappning, icke-sinusformade svängningar av bågspänningen.

Vid lägre tryck uppstår inte dessa svängningar, utan högrefrekventa plasmaoscillationer ( Hz) uppträder, vilka även förekommer i region 4, där deras intensitet minskar när emissionsströmmen Iem närmar sig. $f=10^{6}$

Om vi gradvis sänker katodens temperatur T och därigenom minskar emissionsströmmen och håller gastrycket oförändrat, kommer region 4 att minska och röra sig uppåt längs karakteristiken (i figur ). ${\displaystyle T_{1}<T_{2}<T_{3))$

Applikation

En icke-självförsörjande ljusbågsurladdning med en uppvärmd katod används för ytbehandling av produkter: plasmarengöring, etsning , aktivering , etc. [2] Förr i tiden användes en ljusbågsurladdning med en uppvärmd katod i stor utsträckning inom högeffekt elektroniska enheter för gasurladdning: tyratroner , ignitroner , gastroner .

Anteckningar

↑ Petrozavodsk State University . Tändning av en ljusbågsurladdning med en uppvärmd katod . Hämtad: 2 december 2011. (obestämd)
↑ Institute of High Current Electronics SB RAS . Plasmakälla med uppvärmd katod . Hämtad 27 november 2011. Arkiverad från originalet 16 december 2013. (obestämd)

Se även

Litteratur

Granovsky VL Elektrisk ström i gas. jämn ström. — 1971.
Vintizenko L.G., Grigoriev S.V., Koval N.N. och andra. Lågtrycksbågarladdningar med en ihålig katod och deras tillämpning i plasmageneratorer och källor för laddade partiklar Izvestia av högre utbildningsinstitutioner, Fysik, nr 9,. – 2001.