Способ возбуждения тлеющего разряда в газе и устройство для его осуществления

 

Заявляемое изобретение относится к физике газового разряда и может быть использовано для повышения вкладываемой электрической мощности в плазму готового разряда. Сущность: в прианодной области разряда осуществляют дополнительную внешнюю ионизацию газа с помощью индуктора, соединенного с высокочастотным генератором. Это приводит к исчезновению прианодных колебаний и формированию однородного плазменного столба, что позволяет увеличить удельную электрическую мощность, вкладываемую в тлеющий разряд. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к физике газового разряда и может быть использовано для повышения вкладываемой электрической мощности в плазму газового разряда.

Известен способ получения тлеющего разряда [1], заключающийся в пропускании постоянного тока через газ при давлении 0,1-10 Тор. Для того, чтобы газовый промежуток между электродами пропускал постоянный ток, в газе должно поддерживаться ионизованное состояние, которое создается электрическим полем, существующим между катодом и анодом. Плазма такого разряда неоднородна и состоит из катодной области, положительного столба и прианодной области. Плазма положительного столба тлеющего разряда в газах и парах металлов при давлениях 0,1-10 Тор используется для создания лазеров, излучающих в различных диапазонах длин волн.

Однако известный способ обладает следующими недостатками. Однородность положительного столба является одним из условий получения наибольшей мощности излучения лазера. Попытки увеличить выходную мощность электроразрядных лазеров путем увеличения подводимой электрической энергии неизбежно наталкиваются на ограничения, связанные с развитием неустойчивостей разряда. Развитие продольных неустойчивостей приводит к возникновению в положительном столбе мощных колебаний плазмы, а также к стратифицированию разряда, что существенно ухудшает параметры активных сред газовых лазеров.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту, одновременно являющимся базовым объектом, является комбинированный разряд, поддерживаемый постоянным и высокочастотным электрическими полями [2] . В комбинированном разряде используется разряд постоянного тока с расстоянием между катодом и анодом в несколько сантиметров. Высокочастотный емкостной разряд осуществляется между анодом и внешним электродом, расположенным вблизи анода. В результате наложения высокочастотного емкостного разряда создаются условия, которые препятствуют развитию концентрации в разрядном промежутке между катодом и анодом.

Недостатками известного способа и устройства являются [2]: осуществление комбинированного разряда возможно в разрядных трубках, в которых расстояние между электродами основного разряда составляет несколько сантиметров, для длинных разрядных трубок порядка 1 м и более необходимо устанавливать длинные вдоль всей трубки электроды, к которым подключается источник ВЧ-поля; наложение высокочастотного емкостного разряда на плазму основного разряда приводит к формированию неоднородностей в плазменном столбе основного разряда - образованию плазменной "шубы" или расслоению плазменного столба.

Технический результат изобретения заключается в повышении однородности разряда и увеличении удельного энерговклада путем подавления колебаний в разряде.

Выполнение указанного технического результата достигается тем, что использование дополнительной ионизации в прианодной области разряда компенсирует сток электронов на анод и этим способствует установлению в этой области параметров плазмы, близких к параметрам плазмы положительного столба и исчезновению прианодных колебаний.

Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что в плазме газового разряда всегда присутствуют колебания потенциала плазмы или бегущие страты. Изучение плазмы газового разряда показало, что на развитие неустойчивостей в положительном столбе влияют приэлектродные области разряда. Анализ свойств положительного столба указывает на то, что самовозбуждение колебаний в положительном столбе произойти не может. Эти колебания возникают в прианодной области, т.е. процессы, протекающие в прианодной области, делают всю электрическую систему неустойчивой.

Колебания в плазме непосредственно связаны с процессами образования и гибели электронов в плазменном объеме. Уравнение баланса концентрации заряженных частиц (электронов) имеет вид где n_e - плотность электронов, D_a - коэффициент амбиполярной диффузии, νⁱ - частота ионизации.

Второй член в левой части уравнения D_AΔn_e определяет скорость амбиполярного ухода частиц из плазменного объема. Член в правой части уравнения баланса νⁱn_e определяет образование заряженных частиц в объеме за счет ионизации. При наличии малых возмущений концентрации заряженных частиц, гармонически зависящих от продольной координаты, концентрацию электронов можно записать в виде где r - радиальная переменная, x - продольная переменная, t - время, n⁽_e⁰⁾(r) - невозмущенная концентрация, Re[n⁽¹_ek⁾(r,t)exp(-ikx)] - возмущение концентрации, k = 2π/λ_k - определяет продольный масштаб возмущения или длину волны возмущения - λ_k .

С учетом малых возмущений концентрации заряженных частиц уравнение баланса примет вид где
νⁱ_* - средняя частота ионизации при наличии возмущения,
νⁱ - при отсутствии возмущения. В силу малости возмущения n⁽_e¹⁾≪ n⁽_e⁰⁾ имеем

Окончательно уравнение баланса принимает вид

Решением этого уравнения является функция
n⁽_e¹⁾= n⁽¹_eo⁾exp(γt),
где коэффициент

называется инкрементом неустойчивости.

При γ > 0 происходит экспоненциальное нарастание возмущения.

В качестве критерия существования неустойчивости плазмы можно положить

Левая часть неравенства описывает увеличение частоты ионизации, нарушающее ионизационное равновесие при наличии возмущения, а правая часть - определяет скорость диффузионного расплывания возмущения
ν_D~ D_A/λ²_k ~ k²D_A.
Существование положительного инкремента γ > 0 в плазме само по себе не может привести к появлению продольных колебаний. Для их появления должно возникнуть некоторое возмущение n⁽_e¹⁾(x,t) стационарного значения концентрации электронов n⁽_e⁰⁾.

В работе [2] были проведены измерения электрокинетических параметров плазмы неона в прианодной области при малых значениях тока I ≅10^-2А и давлении P= 1 Тор. При этих условиях ионизационная неустойчивость плазмы положительного столба отсутствовала из-за слабых ступенчатых процессов ионизации. В [2] также было установлено, что вблизи анода параметры плазмы: плотность электронов n_e и функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) f(ε) существенно изменяются. Так, например, плотность электронов уменьшается на порядки при приближении к аноду за счет диффузионного и дрейфового стока электронов на анод. Измерение электрокинетических параметров в прианодной области при значениях тока I=10^-2 - 0,5 A и диапазоне давлений p=10^-2 - 10 Тор, проведенные зондовым методом Дрювестейна с использованием импульсно-периодического разряда с стробоскопического способа измерения второй производной зондового тока, позволило сделать выводы:
вблизи анода формируется двумерная потенциальная яма, в которой минимальное значение потенциала eϕ(x) находится на некотором расстоянии от анода;
профиль изменения потенциала в плазме
eϕ(x) = Φ[grad n_e(x)]
есть функция изменения плотности электронов вдоль оси;
конкретно значения расстояния от анода до минимума потенциальной ямы зависят от давления и тока разряда;
внутри потенциальной ямы находятся запертые медленные электроны.

На фиг.1 приведено изменение параметров плазмы вблизи анода, на которой eϕ(x) - профиль осевого изменения потенциала в плазме, n_e(x) - профиль осевого изменения концентрации электронов, γ(x) - инкремент неустойчивости, x₀ - минимальное значение потенциала eϕ , АВ - ширина потенциальной ямы, l_ε - характерная длина спада n_e.

Размеры области анодного падения потенциала определяются длиной энергетической релаксации электронов в плазме

Проведенные исследования показали, что продольное электрическое поле обращается в ноль на расстоянии одной четвертой длины энергетической релаксации электронов от анода, т.е.

где
ε₁ - первый потенциал возбуждения атома газа, e - заряд электрона, E - напряженность продольного электрического поля. Внутри потенциальной ямы с удалением от анода происходит возрастание концентрации заряженных частиц n_e и концентрации метастабильных атомов n_m в состоянии ²P₂, следовательно, и суммарной частоты ионизации νⁱ , что приводит к возрастанию инкремента продольной неустойчивости.

Возмущение электронной плотности n_eo (x, t) внутри потенциальной ямы AB, особенно в той части, где γ становится положительным, возникает в силу существования медленных запертых электронов, осциллирующих внутри потенциальной ямы. Попадая на участок потенциальной ямы, в котором γ > 0, эти электроны становятся источником возбуждения и причиной возникновения ионизационной волны
n⁽_e¹⁾(t) = n⁽¹_eo⁾exp(γt),
которая распространяется вдоль оси трубы от анода к катоду в виде волны
n_e(x,t) = Re[n⁽¹_ek⁾(t)exp(-ikx)].
Таким образом, определяющую роль в процессах зарождения колебаний в плазме тлеющего разряда играет изменение плотности электронов вблизи анода за счет их стока на анод. Компенсация ухода электронов с помощью дополнительной внешней ионизации в области существования потенциальной ямы приводит к выравниванию величины n_e вблизи анода с плотностью электронов в положительном столбе. Этим устраняются условия возникновения прианодных колебаний, которые распространяются в плазму положительного столба.

Именно дополнительная внешняя ионизация газа в области существования потенциальной ямы обеспечивает, согласно заявляемому способу, устранение условий возникновения прианодных колебаний. Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Пример осуществления способа
Подавление прианодных колебаний и страт согласно заявляемому способу осуществляется переводом классического тлеющего разряда в тлеющий разряд с деформированной прианодной областью. При этом естественное для классического тлеющего разряда распределение параметров в прианодной области изменяется искусственным путем. Это изменение осуществляется за счет дополнительной ионизации газа в области разряда, прилегающей к аноду, то есть в области существования в плазме потенциальной ямы. С этой целью в прианодной области создается высокочастотный (ВЧ) разряд, который является дополнительным источником заряженных частиц вблизи анода. Путем изменения мощности ВЧ-разряда добиваются компенсации спада концентрации электронов в прианодной области. В результате исчезают условия возникновения прианодных колебаний и соответственно в разряде отсутствуют колебания и страты.

Для осуществления описанного способа предлагается устройство для возбуждения тлеющего разряда в газе, приведенное на фиг. 2.

Устройство состоит из разрядной трубки 1, внутри которой находятся накаливаемый катод 2 и анод 3. Питание разрядной трубки производится через балластное сопротивление 4 от источника постоянного тока 5. Вблизи анода располагается индуктор 6, который соединен с ВЧ-генератором 7.

Индуктор 6 представляет собой 4 витка медного провода. Диаметр индуктора - 16 мм. Индуктор располагается относительно разрядной трубки так, что ось индуктора перпендикулярна оси разрядной трубки и соответственно расстоянию x₀ от анода. Причем это расстояние x₀ соответствует расположению минимального значения потенциальной ямы eϕ(x_o) в плазме.

Именно введение дополнительного источника ионизации газа, представляющего собой индуктор, соединенный с ВЧ-генератором, и расположение индуктора относительно разрядной трубки и анода, обеспечивают, согласно заявляемому устройству, устранение условий возникновения прианодных колебаний.

Устройство работает следующим образом. С помощью источника питания 5 зажигают внутри разрядной трубки 1 между оксидным накаливаемым катодом 2 и плоским молибденовым анодом 3 тлеющий разряд. Через индуктор 6 пропускают ВЧ-ток от ВЧ-генератора 7. ВЧ-генератор 7 собран по обычной схеме релаксационного генератора или мультивибратора на лампе ГУ-29. Параметры времязадающих RC-цепочек выбраны таким образом, чтобы частота генератора составляла порядка 50 МГц. На такой частоте легко получить тлеющий разряд при малой мощности электромагнитных колебаний. Индуктор 6 размещался на расстояниях порядка 10 мм от анода 3. В указанных диапазонах тока I = 10^-2 - 0,5 А и давления p = 10^-2 - 10 Тор расстояние x₀ до минимума потенциальной ямы изменялось незначительно и составляло порядка 10 мм. Колебания в плазме разряда регистрировались с помощью зонда, находящегося на расстоянии 300 мм от анода, и фотодиода ФД-27, перемещаемого вдоль разрядной трубки, соединенных с осциллографом С1-55. Изменением мощности ВЧ-генератора добивались исчезновения колебаний и страт в плазме. Требуемая для этого электрическая ВЧ-мощность составляла 15% от электрической мощности, вкладываемой в основной тлеющий разряд.

Использование предлагаемых способа и устройства для возбуждения тлеющего разряда в газе, в которых дополнительная внешняя ионизация газа в области существования потенциальной ямы с помощью индуктора, соединенного с ВЧ-генератором, позволяют подавить прианодные колебания и тем самым получить однородный плазменный столб. Это в свою очередь позволяет увеличить удельную электрическую мощность, вкладываемую в тлеющий разряд.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения тлеющего разряда в газе, включающий подачу постоянного напряжения на размещенные в разрядной камере электроды и дополнительную ионизацию газа в области анодного падения потенциала, отличающийся тем, что дополнительную ионизацию газа осуществляют на расстоянии x от анода, определяемом по соотношению

где ε₁ - первый потенциал возбуждения атома газа;
e - заряд электрона;
E - напряженность продольного электрического поля в области прианодного падения потенциала.

2. Устройство для возбуждения разряда в газе, содержащее разрядную трубку с двумя подключенными к источнику постоянного напряжения электродами на концах и ВЧ-генератор, отличающееся тем, что в устройство введен дополнительный внешний источник ионизации, выполненный в виде индуктора, подключенного к ВЧ-генератору и установленного так, что ось индуктора перпендикулярна оси разрядной трубки в области прианодного падения потенциала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2