Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте

В настоящей работе экспериментально исследованы затрудненный и аномальный режимы горения тлеющего разряда постоянного тока в азоте, а также переход между ними. Показано, что затрудненный разряд может наблюдаться только при условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена. Получено, что тлеющий...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Лисовский, В.А., Кравченко, Е.А., Скубенко, Е.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2010
Назва видання:	Физическая инженерия поверхности
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98873
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте / В.А. Лисовский, Е.А. Кравченко, Е.В. Скубенко // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 143–149. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98873
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-988732016-04-19T03:02:13Z Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте Лисовский, В.А. Кравченко, Е.А. Скубенко, Е.В. В настоящей работе экспериментально исследованы затрудненный и аномальный режимы горения тлеющего разряда постоянного тока в азоте, а также переход между ними. Показано, что затрудненный разряд может наблюдаться только при условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена. Получено, что тлеющий разряд постоянного тока в исследованном диапазоне давлений азота имеет S-образную вольт-амперную характеристику (затрудненный и аномальный режимы горения имеют растущие вольт-амперные характеристики, однако, переход между ними сопровождается ростом разрядного тока при понижении напряжения на электродах). Обнаружено, что переход иззатрудненного в аномальный режим сопровождается низкочастотными релаксационными колебаниями разрядного тока в килогерцовом диапазоне. Эти колебания вызваны, по-видимому, формированием и распадом вблизи анода отрицательного свечения. У цій роботі експериментально досліджені затруднений та аномальний режими горіння тліючого розряду постійного струму в нітрогені, а також перехід між ними. Показано, що затруднений розряд може спостерігатися тільки за умов, які відповідають лівій вітці кривої Пашена. Отримано, що тліючий розряд постійного струму в дослідженому діапазоні тиску нітрогену має S-образну вольт-амперну характеристику (затруднений та аномальний режими горіння мають вольт-амперні характеристики, які збільшуються, однак, перехід між ними супроводжується зростанням розрядного струму при зниженні напруги на електродах). Виявлено, що перехід іззатрудненого в аномальний режим супроводжується низкочастотними релаксаційними коливаннями розрядного струму в кілогерцовому діапазоні. Ці коливання спричиненні, мабуть, формуванням та розпадом поблизу аноду негативного світіння. Низкочастотні коливання спостерігаються в обмеженому діапазоні тиску нітрогену та розрядного струму. Із зростанням тиску газу частота коливань знижується. This paper studies in experiment the obstructed and abnormal modes of dc glow discharge in nitrogen as well as the transition between them. The paper reports the observation of the obstructed discharge only under conditions corresponding to the left-hand branch of Paschen curve. The dc glow discharge in the nitrogen pressure range studied was shown to possess an S-shaped current-voltage characteristics (obstructed and abnormal burning modes possess growing CVCs but the transition between them was accompanied by the discharge current growth with voltage drop across the electrodes lowering). The transition from the obstructed mode to the abnormal is shown to be accompanied by low-frequency relaxation oscillations of the discharge current in a kilohertz range. These oscillations are probably due to the negative glow forming and decaying near the anode. They are observed in a limited nitrogen pressure and current ranges. With the gas pressure increasing the oscillation frequency decreases. 2010 Article Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте / В.А. Лисовский, Е.А. Кравченко, Е.В. Скубенко // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 143–149. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98873 537.521.7 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В настоящей работе экспериментально исследованы затрудненный и аномальный режимы горения тлеющего разряда постоянного тока в азоте, а также переход между ними. Показано, что затрудненный разряд может наблюдаться только при условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена. Получено, что тлеющий разряд постоянного тока в исследованном диапазоне давлений азота имеет S-образную вольт-амперную характеристику (затрудненный и аномальный режимы горения имеют растущие вольт-амперные характеристики, однако, переход между ними сопровождается ростом разрядного тока при понижении напряжения на электродах). Обнаружено, что переход иззатрудненного в аномальный режим сопровождается низкочастотными релаксационными колебаниями разрядного тока в килогерцовом диапазоне. Эти колебания вызваны, по-видимому, формированием и распадом вблизи анода отрицательного свечения.
format	Article
author	Лисовский, В.А. Кравченко, Е.А. Скубенко, Е.В.
spellingShingle	Лисовский, В.А. Кравченко, Е.А. Скубенко, Е.В. Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте Физическая инженерия поверхности
author_facet	Лисовский, В.А. Кравченко, Е.А. Скубенко, Е.В.
author_sort	Лисовский, В.А.
title	Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте
title_short	Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте
title_full	Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте
title_fullStr	Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте
title_full_unstemmed	Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте
title_sort	экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98873
citation_txt	Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте / В.А. Лисовский, Е.А. Кравченко, Е.В. Скубенко // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 143–149. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT lisovskijva éksperimentalʹnoeissledovaniezatrudnennogotleûŝegorazrâdapostoânnogotokavazote AT kravčenkoea éksperimentalʹnoeissledovaniezatrudnennogotleûŝegorazrâdapostoânnogotokavazote AT skubenkoev éksperimentalʹnoeissledovaniezatrudnennogotleûŝegorazrâdapostoânnogotokavazote
first_indexed	2025-07-07T07:11:25Z
last_indexed	2025-07-07T07:11:25Z
_version_	1836971234184658944
fulltext	143 ВВЕДЕНИЕ Исследования тлеющего разряда низкого дав- ления проводятся уже более ста лет. Тлеющий разряд является одним из самых старых и, ка- залось бы, наиболее всесторонне исследован- ных явлений в области газового разряда. Однако в последнее время тлеющий разряд стал все более широко использоваться для различных технологических нужд, в частнос- ти, в области лазерной техники, для модифи- УДК 537.521.7 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТРУДНЕННОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В АЗОТЕ В.А. Лисовский, Е.А. Кравченко, Е.В. Скубенко Харьковский национальный университет Украина Поступила в редакцию 07.06.2010 В настоящей работе экспериментально исследованы затрудненный и аномальный режимы го- рения тлеющего разряда постоянного тока в азоте, а также переход между ними. Показано, что затрудненный разряд может наблюдаться только при условиях, соответствующих левой ветви кривой Пашена. Получено, что тлеющий разряд постоянного тока в исследованном диа- пазоне давлений азота имеет S-образную вольт-амперную характеристику (затрудненный и аномальный режимы горения имеют растущие вольт-амперные характеристики, однако, переход между ними сопровождается ростом разрядного тока при понижении напряжения на электродах). Обнаружено, что переход из затрудненного в аномальный режим сопровождается низкочастотными релаксационными колебаниями разрядного тока в килогерцовом диапазоне. Эти колебания вызваны, по-видимому, формированием и распадом вблизи анода отрицатель- ного свечения. Ключевые слова: разряд постоянного тока, затрудненный разряд, аномальный разряд, пробой газа, вольт-амперные характеристики, колебания. У цій роботі експериментально досліджені затруднений та аномальний режими горіння тліючого розряду постійного струму в нітрогені, а також перехід між ними. Показано, що затруднений розряд може спостерігатися тільки за умов, які відповідають лівій вітці кривої Пашена. Отримано, що тліючий розряд постійного струму в дослідженому діапазоні тиску нітрогену має S-образну вольт-амперну характеристику (затруднений та аномальний режими горіння мають вольт-амперні характеристики, які збільшуються, однак, перехід між ними супроводжується зростанням розрядного струму при зниженні напруги на електродах). Виявлено, що перехід із затрудненого в аномальний режим супроводжується низкочастотними релаксаційними коливаннями розрядного струму в кілогерцовому діапазоні. Ці коливання спричиненні, мабуть, формуванням та розпадом поблизу аноду негативного світіння. Низкочастотні коливання спостерігаються в обмеженому діапазоні тиску нітрогену та розрядного струму. Із зростанням тиску газу частота коливань знижується. Ключові слова: розряд постійного струму, затруднений розряд, аномальний розряд, пробій газу, вольт-амперні характеристики, коливання. This paper studies in experiment the obstructed and abnormal modes of dc glow discharge in nitrogen as well as the transition between them. The paper reports the observation of the obstructed discharge only under conditions corresponding to the left-hand branch of Paschen curve. The dc glow discharge in the nitrogen pressure range studied was shown to possess an S-shaped current-voltage characteristics (obstructed and abnormal burning modes possess growing CVCs but the transition between them was accompanied by the discharge current growth with voltage drop across the electrodes lowering). The transition from the obstructed mode to the abnormal is shown to be accompanied by low-frequency relaxation oscillations of the discharge current in a kilohertz range. These oscillations are probably due to the negative glow forming and decaying near the anode. They are observed in a limited nitrogen pressure and current ranges. With the gas pressure increasing the oscillation frequency decreases. Keywords: direct current discharge, obstructed discharge, abnormal discharge, gas breakdown, current-voltage characteristics, oscillations.  В.А. Лисовский, Е.А. Кравченко, Е.В. Скубенко, 2010 144 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 кации поверхности различных промышлен- ных изделий [1 – 4]. Широкое распростране- ние всевозможных технологических приме- нений тлеющего разряда вновь возродило интерес к нему. В результате в последнее вре- мя было опубликовано большое число работ, посвященных изучению тлеющего разряда постоянного тока. Термином “газовый разряд” пользуются, когда хотят сказать, что в газообразной среде протекает электрический ток. Для прохож- дения тока необходимы ионизация каким- либо агентом некоторых частиц газа и су- ществование электрического поля, продвига- ющего созданные при ионизации заряженные частицы. Для выполнения этих условий часто не обязательны электроды. Газовый разряд может возникнуть в широ- ком диапазоне давлений газа, а ток разряда может изменяться от малых, едва поддаю- щихся измерению значений, до значений порядка 10–6 А и более [1]. Встречаются как стационарные, так и нестационарные газовые разряды очень малой длительности. На про- текание газового разряда влияют характерис- тики электрической цепи, частью которой он является. Одной из наименее исследованных форм тлеющего разряда является затрудненный разряд, который наблюдается при условиях, когда толщина катодного слоя больше либо равна расстоянию между электродами. Пер- вые результаты исследований затрудненного разряда представлены в работах [5, 6]. Гюн- тершульце [5] измерил зависимость падения напряжения на электродах от расстояния между катодом и анодом при фиксированном разрядном токе и показал, что напряжение резко увеличивается, когда анод приближает- ся к границе катодного слоя. Пеннинг [6] измерил вольт-амперные характеристики раз- ряда в гелии при неизменном давлении и раз- личных расстояниях между электродами. Об- зор ранних результатов исследований затруд- ненного разряда представлен в работе [7]. Авторы [8] обнаружили, что затрудненный тлеющий разряд в неоне обладает сильным оптогальваническим эффектом. Облучение этого разряда лазерным излучением с длиной волны 594,5 нм привело к значительному уменьшению разрядного тока. Этот эффект был объяснен тем, что лазерное излучение вызывает разрушение метастабильных ато- мов, которые играют важную роль в эмиссии электронов из поверхности катода. В работе [9] были измерены пространст- венное распределение электрического поля, интенсивности излучения и профили линий излучения Hα и Hβ затрудненного разряда в водороде. Напряженность электрического по- ля определялась из штарковского расщепле- ния линии Hβ. Получено, что осевое электри- ческое поле сохраняется высоким во всем раз- рядном промежутке. Радиальные распределе- ния электрического поля и интенсивности из- лучения показывают, что затрудненный раз- ряд является почти кольцевым. Авторы [9] также наблюдали колебания тока и напряже- ния, которые они объяснили периодическим коллапсом пристеночного слоя. Авторы [10] исследовали затрудненный разряд в гелии экспериментально, а также с помощью моделирования Монте Карло. Они получили, что вольт-амперные характеристи- ки затрудненного разряда являются растущи- ми, а также с помощью штарковской спектро- скопии определили пространственное рас- пределение электрического поля. Распреде- ление электрического поля также было полу- чено с помощью моделирования и хорошо согласуется с результатами измерения. В работе [11] разработана электронная пушка на основе затрудненного разряда, по- зволяющая получать потоки электронов от 2 до 10 кэВ. Эта пушка состоит из вогнутого латунного катода и анода с отверстием для экстракции электронного пучка. Авторы пок- азали, что затрудненный разряд обладает рас- тущей вольт-амперной характеристикой. Экс- перименты проводились в гелии и водороде при давлении газа p ≈ 0,01 Торр, когда длина свободного пробега электронов была сравни- ма с расстоянием между катодом и анодом. При таких условиях электроны редко совер- шают ионизующие столкновения с молекула- ми газа. Поэтому авторы [11] предположили, что значительную роль в поддержании за- трудненного разряда может играть процесс перезарядки. Образовавшийся при ионизую- щем столкновении положительный ион уско- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТРУДНЕННОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В АЗОТЕ 145 ряется в сильном электрическом поле и на- бирает значительную энергию. Сталкиваясь с нейтральной молекулой газа, этот ион обме- нивается с ней электроном и превращается в быструю нейтральную молекулу, а образовав- шийся медленный положительный ион уско- ряется по направлению к катоду. Этот про- цесс может повториться несколько раз, пока ион не достигнет поверхности катода. Сопро- вождающие ион быстрые нейтральные моле- кулы газа сталкиваются с катодом и могут вызвать появление вторичных электронов. Анализ перечисленных выше опублико- ванных работ [5 – 11] показывает, что за- трудненный тлеющий разряд остается не- достаточно исследованным. В частности, не изучены подробно условия, при которых за- трудненный разряд может существовать, а также его переход в аномальный тлеющий разряд. В настоящей работе экспериментально исследован затрудненный разряд в азоте меж- ду плоскими электродами. Выяснен диапазон давлений газа, в котором затрудненный раз- ряд может наблюдаться. Показано, что затруд- ненный разряд в азоте имеет растущую вольт- амперную характеристику. Обнаружено, что переход из затрудненного в аномальный тле- ющий разряд происходит с уменьшением на- пряжения между электродами, при этом на- блюдаются низкочастотные релаксационные колебания разрядного тока. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Для изучения характеристик тлеющего разря- да постоянного тока низкого давления испо- льзовался экспериментальный комплекс, блок-схема которого показана на рис.1. Вакуумная камера представляет собой от- резок цилиндрической трубы из стекла с вну- тренним диаметром 56 мм, вакуумно уплот- ненный с торцов фланцами. Эксперименты проводились с внутренними цилиндричес- кими электродами с плоскими торцами, из- готовленными из нержавеющей стали. Внеш- ний диаметр электродов равен 55 мм, т.е. не- много меньше внутреннего диаметра разряд- ной трубки. Расстояние между катодом и анодом можно было изменять, передвигая электроды. Измерения проведены при рассто- янии между электродами L = 10 мм. Исследования проводились в азоте в диа- пазоне давлений p = 0,08 − 10 Торр. Камера откачивалась форвакуумным насосом до предельного вакуума (1⋅10–3 Торр). Рабочий газ напускался при помощи системы напуска СНА-1, давление газа контролировалось ва- куумным теплоэлектрическим реле РВТ-2М. Погрешность измерения давления составляла 10 − 15%. Давление газа в камере устанавли- валось путем изменения сечения вакуумпро- вода регулируемым вакуумным клапаном, что обеспечивало постоянство скорости протока газа в камере при различных давлениях. При исследовании зажигания тлеющего разряда постоянного тока на катод подава- лось постоянное напряжение Udc ≤ 4000 В от блока питания БП-67. В разрядную цепь меж- ду катодом и источником постоянного напря- жения последовательно подключался резис- тор сопротивлением 75 кОм. Перед выполнением измерений проводили очистку поверхности катода, зажигая тлею- щий разряд в азоте при давлении p ≈ 0,5 Торр и разрядном токе Idc = 5 мА в течение 10 мин. При этих условиях поток ионов на катод до- статочно велик для удаления монослоев га- зов, оставшихся на поверхности катода после проведения механической шлифовки и поли- ровки, но разрядный ток еще недостаточен для появления катодных пятен, приводящих к эрозии поверхности катода. Какие-либо Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для исследования тлеющего разряда постоянного тока. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 В.А. ЛИСОВСКИЙ, Е.А. КРАВЧЕНКО, Е.В. СКУБЕНКО, 146 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 внешние источники ионизации не использо- вались, исследовалось исключительно зажи- гание самостоятельного тлеющего разряда постоянного тока. Измерение кривой зажигания проводилось следующим способом. При различных фик- сированных давлениях газа p измеряли на- пряжение пробоя Udc. Точность измерения напряжения пробоя была ±5%. В разрядную цепь также последовательно подключался резистор сопротивлением 470 Ом, падение напряжения на котором могло подаваться на осциллограф С9-18, а также на низкочастотный анализатор спектра СК 4−58. Эти приборы использовались для изучения низкочастотных колебаний, возни- кающих при переходе разряда из затруднен- ного в аномальный режим горения. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Как известно, в затрудненном разряде весь зазор между электродами занимает катодный слой, а при формировании вблизи анода от- рицательного свечения разряд переходит в аномальный режим горения. Еще в ранней работе [5] было показано, что затрудненный разряд наблюдается при низких давлениях газа, соответствующих ле- вой ветви кривой зажигания тлеющего раз- ряда (кривой Пашена). Однако из работы [5] не ясно, наблюдается ли затрудненный разряд вблизи и слева от минимума кривой зажига- ния или имеется некоторое давление газа (ме- ньшее давления, соответствующего миниму- му кривой Пашена), слева от которого затруд- ненный разряд может существовать. Поэтому в настоящей работе была измерена кривая за- жигания тлеющего разряда постоянного тока, показанная на рис. 2. Из рис. 2 видно, что ми- нимум кривой зажигания находится при дав- лении азота p ≈ 0,55 Торр. Однако визуальное наблюдение разряда показывает, что при та- ком давлении разряд состоит не только из ка- тодного слоя, но также из отрицательного свечения. Поэтому очевидно, что затруднен- ный разряд должен наблюдаться при более низких давлениях. Исследования показали, что для существования затрудненного раз- ряда в азоте при зазоре между электродами 10 мм давление должно быть в диапазоне p ≤ 0,2 Торр. Это давление показано на рис.2 пунктирной линией. На рис. 3 показаны вольт-амперные харак- теристики (ВАХ) затрудненного и аномально- го режимов, а также переход между ними. Из рис. 3 следует, что ВАХ затрудненного разряда является растущей, то есть повыше- ние тока сопровождается увеличением на- пряжения между электродами. При давлени- ях азота 0,1 и 0,11 Торр наблюдался только затрудненный разряд. При более высоких давлениях газа после достижения разрядным током некоторой критической величины вблизи анода начинает формироваться от- рицательное свечение, наблюдается переход из затрудненного в аномальный режим горе- ния. Этот переход сопровождается пониже- нием напряжения на электродах с ростом то- Рис. 2. Кривая зажигания тлеющего разряда постоян- ного тока в азоте для расстояния L = 10 мм между элек- тродами. Пунктирной линией показано максимальное давление, при котором может наблюдаться затруднен- ный разряд. Рис. 3. Вольт-амперные характеристики тлеющего раз- ряда постоянного тока при различных давлениях азота, а также область существования низкочастотных коле- баний. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТРУДНЕННОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В АЗОТЕ 147 ка, вольт-амперная характеристика прини- мает S-образный вид, при этом на осцилло- грамме появляются колебания разрядного то- ка с частотой в несколько килогерц. Эти низ- кочастотные колебания тока существуют в ог- раниченной области давлений газа и разряд- ных токов. Верхняя и нижняя границы этой области показаны на рис. 3. После полного формирования отрицательного свечения раз- ряд горит в аномальном режиме, в котором ток растет с повышением напряжения на электродах. Для выяснения поведения вольт-амперной характеристики при переходе разряда из за- трудненного в аномальный режим были вы- полнены следующие измерения. При фикси- рованном давлении азота 0,15 Торр вольт- амперная характеристика была измерена с различными резисторами во внешней цепи (25 кОм, 50 кОм, 75 кОм и 125 кОм). В ре- зультате было получено, что при величине внешнего резистора 25 кОм переход из за- трудненного в аномальный режим горения происходит скачком с одновременным ростом тока и понижением напряжения на элект- родах. С внешним резистором 50 кОм пере- ход происходит непрерывно, но имеется большой разброс экспериментальных точек. Для внешних резисторов 75 кОм и 125 кОм вольт-амперные характеристики практически наложились (вольт-амперная характеристика для 75 кОм приведена на рис. 4). На этом же рис. 4 показаны нагрузочные характеристики для внешних резисторов 40 кОм и 75 кОм. Из рис. 4 следует, что для корректного из- мерения вольт-амперной характеристики пе- рехода из затрудненного в аномальный режим горения нужно во внешнюю цепь подключать резистор более 40 кОм. Кроме того, при проведении данного экс- перимента было получено, что низкочастот- ные колебания разрядного тока наблюдались не только с внешним резистором 25 кОм (ког- да переход был скачкообразным), но и при более высоких сопротивлениях резисторов. При этом ни осциллограмма колебаний (по- казанная на рис. 5), ни частота колебаний (см. рис. 6) не зависели от характеристик внешней цепи. Эти колебания остались неизменными при параллельном подключении к электро- дам конденсатора (КВИ-3) емкостью 470 пФ. Следовательно, наблюдаемые НЧ колебания не вызваны аппаратным эффектом, а являют- ся характеристикой исследуемого тлеющего разряда. Из осциллограммы тока (рис. 5) видно, что колебания имеют релаксационный характер, т.е. есть участки резкого увеличения и более плавного уменьшения разрядного тока. При этом амплитуда колебаний составляла до 5% разрядного тока. В работе [9] экспериментально было по- лучено, что в затрудненном разряде электри- ческое поле сохраняется большим во всем за- зоре между электродами. Этот вывод под- тверждается расчетами работы [10]. С ростом разрядного тока концентрация заряженных Рис. 4. Вольт-амперная характеристика разряда при давлении азота 0,15 Торр, а также нагрузочные харак- теристики для сопротивлений во внешней цепи 40 кОм и 75 кОм. Рис. 5. Осциллограмма колебаний разрядного тока, возникающих при переходе из затрудненного в анома- льный режим горения, при давлении азота 0,15 Торр. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 В.А. ЛИСОВСКИЙ, Е.А. КРАВЧЕНКО, Е.В. СКУБЕНКО, 148 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 частиц в зазоре увеличивается, напряжен- ность поля вблизи катода возрастает, но вбли- зи анода понижается. В аномальном тлеющем разряде при удалении от катода плотность плазмы быстро возрастает и достигает макси- мума в отрицательном свечении. Очевидно, что в затрудненном разряде концентрация за- ряженных частиц также должна быть макси- мальной вблизи поверхности анода. По-ви- димому, при достижении током затруднен- ного разряда некоторой пороговой величины вблизи анода формируется область отрица- тельного свечения. При этом плотность плаз- мы вблизи анода резко увеличивается и воз- растает разрядный ток. Тогда, согласно закону Ома для полной цепи, напряжение на элект- родах уменьшается. Это приводит к сниже- нию ионизации во всем катодном слое. Об- разовавшаяся вблизи анода область плотной плазмы расплывается, электроны частично уходят в анод, а положительные ионы дви- жутся к катоду. При сниженной ионизации уход заряженных частиц вызывает снижение разрядного тока, что видно из осциллограм- мы на рис. 5. После ухода из разрядного про- межутка части положительных ионов и сни- жения тока напряжение на электродах уве- личивается, и в катодном слое снова разви- ваются интенсивные электронные лавины. В свою очередь, это приводит к быстрому росту разрядного тока, и процесс повторяется. Из рис. 6 следует, что при низких дав- лениях частота колебаний достигает 8 кГц. Эта низкая частота связана с большим време- нем ухода положительных ионов из разряд- ного промежутка. Повышение давления газа увеличивает частоту столкновений ионов с молекулами газа и повышает время движения ионов от анода до катода, что приводит к уменьшению частоты колебаний. Нами были сделаны фотографии затруд- ненного тлеющего разряда, перехода из зат- рудненного в аномальный и аномального. Эти фотографии были обработаны с помощью программы MathCad 2001iPro. Полученные осевые интегральные профили свечения по- казаны на рис. 7. Из рис. 7 видно, что вблизи катода наблю- дается широкий максимум свечения (имею- щий розовую окраску). Вторичные электро- ны, вышедшие вследствие ион-электронной эмиссии с поверхности катода, набирают в сильном электрическом поле катодного слоя энергию и сначала возбуждают низколежа- щие энергетические уровни молекул газа. По- этому вблизи катода свечение разряда нахо- дится в красной части спектра. При дальней- шем ускорении электронов в электрическом поле их энергия переваливает через макси- мум сечения возбуждения низколежащих уровней, но при этом электроны возбуждают более высокие уровни, а также ионизуют мо- лекулы газа. Поэтому вблизи анода свечение разряда имеет синюю окраску. С ростом разрядного тока плотность заряженных частиц вблизи анода возрастает, что приводит к понижению напряженности электрического поля вблизи анода и усилению вблизи катода. При некоторой пороговой величине тока Рис. 6. Зависимость частоты колебаний разрядного то- ка, возникающих при переходе из затрудненного в ано- мальный режим горения, от давления азота. Рис. 7. Интенсивности свечения затрудненного тлею- щего разряда (Idc = 0,4 мА), перехода из затрудненного в аномальный (3 мА) и аномального (10 мА) при дав- лении азота 0,15 Торр. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТРУДНЕННОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В АЗОТЕ 149 вблизи анода может сформироваться отрица- тельное свечение, которое при этих условиях пока является неустойчивым. Из рис. 7 видно, что вблизи анода появился узкий пик интенсивности свечения, прижи- мающийся к его поверхности. Дальнейшее повышение тока стабилизирует отрицате- льное свечение, пик интенсивности свечения вблизи анода возрастает и становится более широким. Разряд при этих условиях горит в аномальном режиме. ВЫВОДЫ В данной работе были экспериментально ис- следованы затрудненный и аномальный ре- жимы горения тлеющего разряда постоянно- го тока в азоте, а также переход между ними. Измерения проведены в трубке радиусом 55мм, в то время как расстояние между электродами было равно 10 мм. Выяснено, что затрудненный разряд может наблюдаться только при условиях, соответст- вующих левой ветви кривой Пашена. При ус- ловиях экспериментов максимальное давл- ение азота, при котором затрудненный разряд может существовать, было равно p ≈ 0,2 Торр, в то время как минимум кривой зажигания находится при давлении азота p ≈ 0,55 Торр. Показано, что и затрудненный, и ано- мальный режимы горения имеют растущие вольт-амперные характеристики. Однако пе- реход между ними сопровождается ростом разрядного тока при понижении напряжения на электродах. Таким образом, тлеющий раз- ряд постоянного тока в исследованном диа- пазоне давлений азота имеет S-образную вольт-амперную характеристику. Получено, что переход из затрудненного в аномальный режим сопровождается низко- частотными колебаниями разрядного тока в килогерцовом диапазоне. Эти колебания име- ют релаксационный характер и вызваны, по- видимому, формированием и распадом вбли- зи анода отрицательного свечения. Наблюда- емые низкочастотные колебания могут су- ществовать в ограниченном диапазоне дав- лений азота и разрядного тока. Показано, что частота колебаний понижается с ростом дав- ления газа. Приведены также осевые про- фили интегральной интенсивности свечения. ЛИТЕРАТУРА 1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. – М.: Наука, 1987. − 592 с. 2. Звелто О. Принципы лазеров. – М.: Мир, 1990. – 560 с. 3. Chen F.F. Industrial applications of low-tem- perature plasma physics//Phys. Plasmas. – 1995. – Vol. 2, № 6. – P. 2164-2175 4. Солошенко И.А., Циолко В.В., Хомич В.А., Щедрин А.И., Рябцев А.В., Баженов В.Ю., Михно И.Л. Применение тлеющего разряда низкого давления для стерилизации меди- цинских изделий//Физика плазмы. – 2000.– Т. 26, № 9. – С. 845-853. 5. Guntherschulze A. Die behinderte Glimment- ladung. II//Z. Physik. – 1930. – Vol. 61. – P. 581-586. 6. Penning F.M. Zweierlei negative Charakteris- tiken bei selbstandigen Gasentladungen//Physik. Zeitschr. – 1932. – Vol. 33. – P. 816-822. 7. Francis G. The glow discharge at low pressure// Encyclopedia of physics. – 1956. – Vol. 22. – P. 53-208. 8. Doughty D.K., Lawler J.E. Optogalvanic effects in the obstructed glow discharge//Appl. Phys. Lett. – 1983. – Vol. 43, No. 3. – P. 234-236. 9. Ganguly B.N., Garscadden A., Electric field and Doppler emission profile measurements in an ob- structed hydrogen discharge//J. Appl. Phys. – 1991. – Vol.70, No. 2. – P. 621-627. 10. Donko Z., Rozsa K., Tobin R.C., Peard K.A., Modeling and measurements on an obstructed glow discharge in helium//Phys. Rev. E. – 1994. – Vol. 49, No. 4. – P. 3283-3289. 11. Fukao M., Ishida M., Ohtsuka Y., Matsuo H., A simple electron gun by obstructed discharge and its discharge - sustaining mechanism//Vac. – 2000. – Vol. 59. – P. 358-372. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 В.А. ЛИСОВСКИЙ, Е.А. КРАВЧЕНКО, Е.В. СКУБЕНКО,

Экспериментальное исследование затрудненного тлеющего разряда постоянного тока в азоте

Репозитарії

Схожі ресурси