ГЛАВА 2. Основные виды электрического разряда

3. Тлеющий разряд постоянного тока. Особенности катодных областей тлеющего разряда

Для тлеющего разряда постоянного тока характерно наличие двух резко различающихся участков: небольшой по протяжённости катодной области, в которой имеется большое падение потенциала, и положительного столба, представляющего собой собственно плазму. На рис. 1 показаны основные области тлеющего разряда и распределение потенциала по длине разрядного промежутка.

Рис. 1. Структура и распределение потенциала в тлеющем разряде: 1 - астоново тёмное пространство; 2 - катодное свечение; 3 - круксово тёмное пространство; 4 - тлеющее свечение; 5 - фарадеево тёмное пространство; 6 - положительный столб; 7 - анодное тёмное пространство; 8 - анодное свечение

Электроны, покидающие катод под действием бомбардировки положительными ионами, имеют малые начальные энергии. Поэтому в непосредственной близости от катода процессы возбуждения и ионизации малоэффективны, результатом этого является темная область малой толщины (1). По мере движения в поле катодного падения потенциала энергия электронов увеличивается и там, где она становится достаточной для возбуждения молекул газа, возникает катодное свечение (2). На некотором расстоянии от катода (в пределах тлеющего свечения) энергия электронов оказывается достаточной для ионизации атомов, потенциал ионизации которых обычно превышает потенциал ионизации молекул. Однако с ростом вероятности ионизации увеличение энергии приводит и к уменьшению вероятности возбуждения, поэтому после катодного свечения наблюдается сравнительно тёмное круксово пространство (3). Внешняя граница этого круксова пространства примерно совпадает с границей катодного падения потенциала. Кривая распределения потенциала имеет в этой области максимум, а напряжённость поля падает до нуля.

Поскольку в катодной области имеется объёмный заряд, при ее описании необходимо исходить из уравнения Пуассона:

(1)

Сложный характер изменения напряжённости электрического поля по длине катодной области затрудняет решение уравнения Пуассона, поэтому в простейшем случае применяется линейная аппроксимация зависимости . В последнем случае напряжённость поля на катоде  можно выразить через величину катодного падения потенциала  (- ширина участка катодного падения потенциала), а . Уравнение Пуассона принимает вид

(2)

или

(3)

где  - плотность тока ионов на катод и  - плотность тока электронов с катода. Учитывая, что электроны выбиваются из катода под действием ударов положительных ионов, можно записать , при этом с учетом  и  уравнение (3) может быть приведено к виду

(4)

Чтобы исключить величину , воспользуемся тем, что в катодной области выполняется условие . Подстановка этого выражения в (4) позволяет получить зависимость  от , которая представлена на рис. 2,а. Константы  и , входящие в масштабы вертикальной и горизонтальной осей, зависят от рода газа, материала катода и выражаются следующими формулами:

(5)

(6)

где  и  - коэффициенты уравнения Таунсенда, а  - давление газа.

a)	б)

Рис. 2. Вид теоретической (а) и реальной (б) ВАХ катодной области тлеющего разряда постоянного тока

Переход от зависимости  к реальной вольт-амперной характеристике катодной области путём умножения плотности тока на площадь катода возможен лишь для правой части кривой рис. 2а, которая соответствует режиму полного покрытия катода свечением. При некотором значении тока на катоде устанавливается плотность тока  и катодное падение потенциала снижается до минимальной величины . Дальнейшее уменьшение катодного тока ведёт не к уменьшению плотности тока, а к уменьшению площади катода, покрытой свечением, при этом плотность тока и катодное падение потенциала остаются неизменными. Действительная ВАХ показана на рис. 2, б. Участок "аb" характеристики соответствует нормальному тлеющему разряду, а участок "bс" - аномальному. Для нормального тлеющего разряда характерны постоянные по величине плотность тока на катод и нормальное катодное падение потенциала. Величина  зависит от рода газа и материала электрода. Для каждой комбинации газ - материал катода существуют также определённые значения  и , которые в области нормального тлеющего разряда постоянны. В аномальном разряде закономерности сложнее и выводы теории хуже совпадают с экспериментом. Поэтому обычно пользуются эмпирическими формулами вида

(7)

(8)

где  - эмпирические постоянные, зависящие от рода газа и материала катода.

Начиная с правой границы области (3), резко изменяется характер движения электронов и ионов. Если на участке катодного падения потенциала заряженные частицы двигаются в сильном электрическом поле в осевом направлении, то в области сильно ионизированного газа и практически отсутствующего электрического поля движение их преимущественно хаотическое. На беспорядочное движение накладывается направленное диффузионное движение электронов и ионов, что приводит к возникновению небольшого участка тормозящего электрического поля в области тлеющего свечения (4) и фарадеева тёмного пространства (5). Частые потери энергии на ионизацию и отсутствие ускоряющего поля приводят к уменьшению средней энергии электронного газа. На внешней границе круксова пространства ионизации почти нет, однако энергия электронов ещё достаточна для возбуждения молекул газа, поэтому визуально наблюдается область тлеющего свечения. Характер свечения в этой области по мере удаления от катода становится всё более длинноволновым и постепенно свечение исчезает. Происходит переход к области фарадеева тёмного пространства, где энергия электронов столь мала, что большинство из них соударяется с атомами упруго, а возбуждения и ионизации почти нет. В процессе диффузионного движения часть электронов и ионов рекомбинирует на стенке. В связи с этим в фарадеевом тёмном пространстве концентрация зарядов в направлении анода уменьшается, что вызывает появление продольного градиента потенциала. Продольный градиент потенциала сообщает электронам дополнительную скорость, что приводит к появлению ионизации, компенсирующей гибель зарядов на стенке.

За областью Фарадеева тёмного пространства образуется остов или положительный столб разряда, простирающийся до анода - это область однородной стационарной неравновесной плазмы (6). Основным условием существования стационарной плазмы является поддержание постоянной во времени концентрации частиц. Баланс числа заряженных частиц определяется балансом энергии, которая поступает в плазму от электрического поля. Часть этой энергии расходуется на ионизацию атомов или молекул газа, которая компенсирует гибель заряженных частиц на стенках, а величина напряжённости поля в положительном столбе устанавливается такой, чтобы обеспечивалось поддержание баланса процессов ионизации и рекомбинации. Положительный столб в осевом направлении может быть однородным или слоистым. Слоистый столб представляет собой ряд светящихся областей (страт), бегущих или неподвижных, которые разделены тёмными промежутками.

Характерный для положительного столба разряда баланс заряженных частиц нарушается около анода. В прианодной области уход положительных ионов по направлению к катоду не компенсируется приходом их и со стороны анода возникает объёмный отрицательный заряд, соответствующий анодному падению потенциала (области 7 и 8).

В настоящее время тлеющий разряд постоянного тока не находит широкого технологического применения в производстве изделий электронной техники. Областями его использования являются процессы напыления металлических пленок (в диодных и  триодных системах), а также некоторые специальные (спектроскопические, аналитические) приложения, где он служит инструментом атомизации твердых веществ. В связи с тем, что теория тлеющего разряда постоянного тока хорошо разработана, он является удобным модельным объектом для исследования кинетики и механизмов плазмохимических процессов.