Физика газового разряда
Покупка
Издательство:
Интеллект
Автор:
Райзер Юрий Петрович
Год издания: 2009
Кол-во страниц: 736
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Кадры высшей квалификации
ISBN: 978-5-91559-019-8
Артикул: 141289.01.01
Доступ онлайн
В корзину
На современном уровне рассмотрен широкий круг проблем физики газового разряда: элементарные атомные процессы, взаимодействие постоянного и переменных полей с электронами плазмы, разряды всевозможных типов, от тлеющего до молнии. Цель монографии - разъяснить сущность явлений, облегчить изучение специальной литературы, дать необходимые сведения для исследовательской работы. Для этого приводится много фактических и полезных справочных данных, результатов экспериментов, простых оценок физических величин, теоретические формулы доведены до расчетного вида. Новое издание существенно переработано по сравнению с предыдущими и дополнено по возможности более поздними результатами. Книга призвана послужить одновременно руководством для специалистов и учебником для начинающих. Для научно технических работников в области газовой электроники и низко температурной плазмы, а также для студентов и аспирантов физических и технических специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 03.00.00: ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- ВО - Магистратура
- 03.04.01: Прикладные математика и физика
- 03.04.02: Физика
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Ю.П. РАЙЗЕР ФИЗИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА Третье издание, переработанное и дополненное л Издательский Дом ИНТЕЛЛЕКТ ДОЛГОПРУДНЫЙ 2009
Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований по проекту № 09-02-07050д Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Научное издание / Райзер Ю.П. — 3-е изд. перераб. и доп. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. — 736 с. ISBN 978-5-91559-019-8 На современном уровне рассмотрен широкий круг проблем физики газового разряда: элементарные атомные процессы, взаимодействие постоянного и переменных полей с электронами плазмы, разряды всевозможных типов, от тлеющего до молнии. Цель монографии — разъяснить сущность явлений, облегчить изучение специальной литературы, дать необходимые сведения для исследовательской работы. Для этого приводится много фактических и полезных справочных данных, результатов экспериментов, простых оценок физических величин, теоретические формулы доведены до расчетного вида. Новое издание существенно переработано по сравнению с предыдущими и дополнено по возможности более поздними результатами. Книга призвана послужить одновременно руководством для специалистов и учебником для начинающих. Для научно- технических работников в области газовой электроники и низкотемпературной плазмы, а также для студентов и аспирантов физических и технических специальностей. ISBN 978-5-91559-019-8 © 2009, Райзер Ю.П. © 2009, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие к третьему изданию....................................25 Предисловие к первому изданию.....................................27 Глава 1 Введение..........................................................29 1.1. Что изучает физика газового разряда.......................29 1.2. Типичные разряды в постоянном электрическом поле..........30 1.3. Классификация разрядных процессов.........................32 1.4. Коротко об истории исследования разрядов..................34 Часть I ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЭЛЕМЕНТЫ РАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ Глава 2 Упругие столкновения электронов и ионов с атомами, молекулами и друг с другом...........................................................39 2.1. Основные понятия физики атомных столкновений и кинетической теории газов.........................................................39 2.1.1. Упругие и неупругие удары...................................39 2.1.2. Эффективное сечение.........................................39 2.1.3. Частота столкновений .......................................41 2.1.4. Длина свободного пробега....................................43 2.1.5. Вероятности различных пробегов .............................44 2.1.6. Числа столкновений при нормальных условиях..................44 2.2. Сечения рассеяния электронов нейтральными атомами и молекулами........................................................45 2.3. Потери импульса и энергии электронов.............................48 2.3.1. Дифференциальное сечение и угловое распределение рассеяния .48 2.3.2. Транспортное сечение и потери импульса......................49 2.3.3. Упругие потери энергии......................................51 2.4. Упругое рассеяние по классической механике.......................52 2.4.1. Приведенная масса...........................................52 2.4.2. Система центра масс ........................................53
JL Оглавление 2.4.3. Относительное движение....................................54 2.4.4. Максвелловское распределение по относительным скоростям........................................................56 2.4.5. Дифференциальное сечение..................................57 2.4.6. Расходимость полного сечения..............................57 2.5. Обмен импульсом и энергией в общем случае упругого рассеяния............................................................58 2.5.1. Потеря импульса...........................................58 2.5.2. Транспортное сечение для столкновения частиц сравнимой массы............................................................59 2.5.3. Обмен энергией ...........................................60 2.5.4. Релаксация в поступательных степенях свободы газа.........61 2.6. Столкновения ионов с нейтральными частицами....................63 2.6.1. Поляризационное сечение...................................63 2.6.2. Взаимодействие с дипольными молекулами....................66 2.7. Резонансная перезарядка........................................67 2.8. Кулоновские столкновения заряженных частиц.....................70 2.8.1. Формула Резерфорда........................................71 2.8.2. Интеграл транспортного сечения............................72 2.9. Экранирование зарядов в плазме и дебаевский радиус.............73 2.9.1. Потенциал вокруг заряда в плазме..........................73 2.9.2. Дебаевский радиус.........................................75 2.9.3. Идеальность плазмы........................................75 2.10. Столкновения заряженных частиц (продолжение)..................76 2.10.1. Кулоновский логарифм .....................................76 2.10.2. Частоты столкновений и длины пробега ....................76 2.10.3. Обмен энергией и релаксация...............................78 Глава 3 Неупругие столкновения электронов с атомами и молекулами................80 3.1. Ионизация......................................................80 3.1.1. Потенциалы и сечения ионизации............................80 3.1.2. Формула Томсона...........................................82 3.1.3. Ионизация возбужденных атомов.............................84 3.1.4. Ионизация ионов...........................................85 3.2. Возбуждение и дезактивация электронных состояний...............85 3.2.1. Схемы уровней.............................................85 3.2.2. Метастабильные и резонансные уровни.......................87 3.2.3. Сечения возбуждения.......................................88 3.2.4. Принцип детального равновесия ............................90 3.2.5. Сечение дезактивации......................................91 3.3. Возбуждение молекулярных колебаний..............................92
Оглавление JU 5 3.3.1. Адиабатические и резкие удары............................93 3.3.2. Квантовая трактовка......................................93 3.3.3. Возбуждение через захват.................................94 3.4. Возбуждение вращений молекул..................................96 3.5. Диссоциация молекул...........................................97 3.6. Замечания о возбуждении и ионизации ионами....................98 Глава 4 Дрейф, энергия и диффузия заряженных частиц в постоянном поле.........100 4.1. Дрейф электронов в слабоионизованном газе....................100 4.1.1. Уравнение усредненного движения........................ 100 4.1.2. Скорость дрейфа........................................ 101 4.1.3. Подвижность.............................................102 4.1.4. Подобие, результаты измерений, дрейф в смесях газов.....102 4.2. Проводимость ионизованного газа..............................104 4.2.1. Слабоионизованная плазма .............................. 104 4.2.2. Сильноионизованная плазма.............................. 105 4.2.3. Почему электрон-электронные столкновения не вносят вклада в электрическое сопротивление................................. 105 4.3. Энергия электронов............................................106 4.3.1. Джоулево тепло...........................................106 4.3.2. Среднее приобретение энергии электроном в одном эффективном столкновении...................................................106 4.3.3. Истинные изменения энергии электрона при столкновениях. 107 4.3.4. Уравнение баланса энергии электрона.................... 108 4.3.5. Средняя энергия.........................................109 4.3.6. Соотношение между хаотической и дрейфовой скоростями... 110 4.3.7. Релаксация энергии; критерии постоянства и однородности поля...........................................................111 4.4. Диффузия электронов..........................................112 4.4.1. Диффузионный поток и уравнение непрерывности............112 4.4.2. Соотношение между коэффициентами диффузии, подвижностью и средней энергией............................................ 114 4.4.3. Нахождение коэффициентов диффузии...................... 116 4.4.4. Продольная и поперечная диффузия электронов ............116 4.5. Ионы.........................................................119 4.5.1. Подвижность в несильных полях.......................... 119 4.5.2. Энергия ионов ..........................................120 4.5.3. Дрейф в сильных полях.................................. 122 4.5.4. Коэффициенты диффузии при умеренных значениях Е/р........ 123 4.5.5. Продольная и поперечная диффузия ...................... 124 4.6. Амбиполярная диффузия........................................126 4.6.1. Коэффициент амбиполярной диффузии ......................126
JL Оглавление 4.6.2. При каких условиях диффузия амбиполярна..................127 4.6.3. Определение понятия «плазмы».............................128 4.7. Протекание электрического тока в плазме в присутствии продольных градиентов плотности зарядов............................128 4.7.1. Уравнение непрерывности для электричества................128 4.7.2. Диффузионный ток и искажение поля градиентами............129 4.7.3. Уравнение для плотности плазмы...........................130 4.7.4. Критерий электронейтральности ...........................130 4.7.5. Амбиполярный поток зарядов вдоль неоднородного поля......131 4.8. Гидродинамическое описание электронов.........................132 4.8.1. Уравнения непрерывности и движения.......................132 4.8.2. Уравнение энергии........................................132 4.8.3. Плазма с током ..........................................133 4.9. Движение зарядов в газе в присутствии магнитного поля.........134 4.9.1. Дрейф в электрическом поле...............................134 4.9.2. Проводимость и ток Холла.................................135 4.9.3. Диффузия.................................................135 Глава 5 Образование и гибель заряженных частиц в газе..........................138 5.1. Различные механизмы! и их роль в условиях газового разряда....138 5.1.1. Рождение электронов и положительных ионов ...............138 5.1.2. Электрон-ионная рекомбинация.............................140 5.1.3. Отрицательные ионы.......................................141 5.1.4. Ион-ионная рекомбинация..................................142 5.1.5. Диффузионный уход зарядов к стенкам разрядного сосуда....142 5.2. Ионизация электронным ударом в электрическом поле.............143 5.2.1. Частота ионизации........................................143 5.2.2. Электронная лавина.......................................143 5.2.3. Частота ионизации при максвелловском спектре.............144 5.2.4. Ионизация в однородном поле..............................144 5.2.5. Связь между частотой ионизации и ионизационным коэффициентом..................................................145 5.2.6. Экспериментальное определение скорости ионизации.........146 5.2.7. Эмпирическая формула для ионизационного коэффициента ....149 5.2.8. Очень сильные поля.......................................151 5.2.9. Оптимальные условия ионизации............................152 5.3. Фотоионизация.................................................153 5.4. Ионизация при столкновении возбужденного атома с атомом или молекулой......................................................154 5.4.1. Резонансно-возбужденные атомы............................154 5.4.2. Метастабильные атомы — эффект Пеннинга...................155 5.4.3. Ассоциативная ионизация .................................156
Оглавление -Jb 7 5.5. Термодинамически равновесная плотность электронов...............158 5.6. Рекомбинация электронов и положительных ионов..................159 5.6.1. Закон рекомбинации........................................ 159 5.6.2. Фоторекомбинация.......................................... 160 5.6.3. Рекомбинация в тройных столкновениях с участием дополнительного электрона и образованием атома в основном состоянии......................................... 161 5.6.4. Ударно-радиационная рекомбинация в тройных столкновениях . 161 5.6.5. Сопоставление фото- и тройной ударно-радиационной рекомбинации..................................................163 5.6.6. Ударно-радиационная рекомбинация с участием атомов.........164 5.6.7. Диэлектронная рекомбинация................................ 164 5.6.8. Диссоциативная рекомбинация............................... 165 5.7. Образование молекулярных ионов в атомарных газах................169 5.8. Прилипание электронов к атомам и молекулам......................170 5.8.1. Термодинамически равновесные плотности отрицательных ионов.........................................................171 5.8.2. Фотоприлипание............................................ 172 5.8.3. Прилипание в тройных столкновениях с участием молекул .... 173 5.8.4. Прилипание к сложным молекулам.............................175 5.8.5. Диссоциативное прилипание................................. 176 5.8.6. Прилипание в тройных столкновениях с участием электрона... 178 5.8.7. Коэффициент прилипания в постоянном поле ..................179 5.9. Освобождение электронов из отрицательных ионов..................181 5.9.1. Электронные удары..........................................181 5.9.2. Отлипание при столкновениях с атомами и молекулами.........182 5.10. Рекомбинация положительных и отрицательных ионов................184 5.10.1. Рекомбинация в парных столкновениях.......................185 5.10.2. Тройные столкновения при средних давлениях................186 5.10.3. Высокие давления......................................... 187 5.11. Диффузионные потери зарядов.....................................188 5.11.1. Частота диффузионных уходов.............................. 188 5.11.2. Пространственные распределения плотности электронов...... 189 5.11.3. Характерная диффузионная длина............................189 Глава 6 Испускание электронов твердыми телами....................................191 6.1. Электроны проводимости в металле................................191 6.1.1. Температура вырождения ................................... 191 6.1.2. Распределение Ферми ...................................... 192 6.1.3. Работа выхода .............................................192 6.1.4. Аналогия со связью в атоме................................ 193 6.2. Термоэлектронная эмиссия........................................194
JL Оглавление 6.2.1. Эмиссионный ток насыщения................................194 6.2.2. Эффективные термокатоды .................................196 6.2.3. Влияние внешнего поля на работу выхода...................196 6.3. Эмиссия электронов под действием частиц.......................197 6.3.1. Ионно-электронная эмиссия................................198 6.3.2. Потенциальное вырывание электронов возбужденными атомами........................................................199 6.3.3. Фотоэлектронная эмиссия..................................200 6.3.4. Вторичная электронная эмиссия............................201 6.4. Эффективный коэффициент вторичной эмиссии в разряде.......202 6.4.1. Влияние вторичной эмиссии на усиление тока первичных электронов.....................................................202 6.4.2. Вклад вторичной фотоэмиссии..............................203 6.4.3. Результаты измерений у. Положительные ионы или фотоны? ..204 6.5. Вырывание электронов из тела сильным электрическим полем..............................................................206 6.5.1. Автоэлектронная эмиссия..................................206 6.5.2. Термоавтоэлектронная эмиссия.............................208 6.6. Элементарный ток в цепи, содержащей разрядный промежуток.........................................................209 Глава 7 Взаимодействие электронов ионизованного газа с переменными электрическими полями и электромагнитными излучениями..................212 7.1. Колебания электронов в осциллирующем поле ....................212 7.1.1. Свободные колебания .....................................212 7.1.2. Влияние столкновений.....................................213 7.1.3. Дрейфовые колебания......................................214 7.2. Энергия электронов............................................215 7.2.1. Бесстолкновительное движение.............................215 7.2.2. Приобретение энергии от поля.............................215 7.2.3. Баланс энергии электрона.................................216 7.2.4. Средняя установившаяся энергия...........................216 7.2.5. Истинные изменения энергии электрона при столкновениях...217 7.2.6. Почему электрон-электронные столкновения не приводят к диссипации энергии поля......................................218 7.3. Основные уравнения электродинамики сплошных сред..............219 7.3.1. Уравнения Максвелла .....................................219 7.3.2. Токи смещения, поляризации, проводимости зарядов.........220 7.3.3. Разложение на гармоники .................................220 7.3.4. Уравнение связи для гармонических компонент..............221 7.3.5. Уравнение закона сохранения энергии .....................221
Оглавление -Л, 9 7.4. Высокочастотные проводимость и диэлектрическая проницаемость плазмы..............................................................222 7.4.1. Вычисление ст, и еф......................................222 7.4.2. Предел «больших» частот («бесстолкновительная» плазма) ..223 7.4.3. Статический предел.......................................223 7.4.4. Почему у диэлектриков обычно е> 1, а у плазмы е< 1.......223 7.5. Распространение электромагнитных волн в плазме.................224 7.5.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость................224 7.5.2. Плоская электромагнитная волна...........................225 7.5.3. Показатели преломления и затухания волны ................225 7.5.4. Закон ослабления потока энергии .........................226 7.5.5. Коэффициент поглощения волны в плазме ...................227 7.5.6. Квазистационарное поле и скин-слой.......................227 7.6. Полное отражение электромагнитной волны от плазмы..............228 7.6.1. Непоглощающая среда с отрицательной диэлектрической проницаемостью .................................................228 7.6.2. Критическая плотность электронов ........................229 7.7. Плазменные колебания и волны...................................230 7.7.1. Плазменная частота.......................................230 7.7.2. Волны....................................................231 7.7.3. Затухание Ландау.........................................231 7.8. Обмен квантами между полем излучения и свободными электронами в газе..................................................232 7.8.1. Классический и квантовый подходы к проблеме взаимодействия ............................................232 7.8.2. Интенсивность излучения, коэффициенты поглощения, вынужденного и самопроизвольного испускания.....................233 7.8.3. Принцип детального равновесия и соотношения между коэффициентами..................................................234 7.8.4. Результирующее поглощение световой волны.................235 7.8.5. Приобретение энергии электроном..........................236 7.9. Полуклассический способ нахождения квантовых коэффициентов.......................................................236 7.9.1. Тормозное излучение .....................................237 7.9.2. Закон Кирхгофа ..........................................238 7.9.3. Квантовые коэффициенты...................................239 7.10. Фактические границы применимости классического подхода к эффектам взаимодействия...........................................240 7.10.1. Предельный переход от квантовой теории к классической..240 7.10.2. Критерий применимости формул классической теории.......241 7.10.3. Статистическая трактовка классического выражения в сугубо квантовом случае ............................................. 241
JL Оглавление Глава 8 Излучение и поглощение света плазмой..................................243 8.1. Типы радиационных переходов..................................243 8.2. Тормозное излучение при столкновениях электронов с ионами...........................................................244 8.3. Рекомбинационное излучение...................................245 8.3.1. Сечение фотозахвата.....................................245 8.3.2. Излучательная способность...............................247 8.3.3. Усреднение спектральной функции.........................247 8.4. Полное испускание в непрерывном спектре......................248 8.4.1. Спектральная излучательная способность..................248 8.4.2. Уточнения...............................................249 8.4.3. Интегральное излучение..................................250 8.5. Поглощение в непрерывном спектре ............................250 8.5.1. Тормозное поглощение ...................................251 8.5.2. Сечение фотоионизации...................................251 8.5.3. Полный коэффициент поглощения ..........................252 8.5.4. Квантовая форма закона Кирхгофа.........................254 8.6. Излучение спектральных линий.................................255 8.6.1. Вероятности радиационных переходов......................256 8.6.2. Классическая модель излучающего атома...................256 8.6.3. Естественные ширина и форма линии.......................257 8.6.4. Уширение линий..........................................258 8.6.5. Сдвиг границы серии ....................................260 8.6.6. Излучательная способность...............................260 8.7. Селективное поглощение.......................................260 8.7.1. Эффективное сечение поглощения в линии, уширенной столкновениями.................................................260 8.7.2. Площадь «классической» линии ...........................261 8.7.3. Сила осциллятора........................................262 8.8. Молекулярные спектры.........................................263 8.9. Перенос излучения, выход его из плазменного объема, радиационные потери................................................265 8.9.1. Уравнение переноса излучения............................265 8.9.2. Интенсивность на выходе из тела.........................265 8.9.3. Прозрачное тело.........................................266 8.9.4. Абсолютно черное тело ..................................266 8.9.5. Самопоглощение..........................................267 8.9.6. Степень черноты.........................................267 8.9.7. Суммарные спектры и интегральное излучение .............268 8.9.8. Лучистый теплообмен.....................................271
Оглавление -Л, 11 8.10. Принцип действия лазера........................................272 8.10.1. Инверсия и усиление......................................272 8.10.2. Условие генерации........................................273 8.10.3. Температура лазерного излучения..........................274 Часть II ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ Глава 9 Кинетическое уравнение для электронов в слабоионизованном газе, находящемся в поле......................................................277 9.1. Описание электронных процессов при помощи функции распределения по скоростям..........................................277 9.2. Формулировка кинетического уравнения...........................278 9.2.1. Уравнение баланса числа частиц ...........................278 9.2.2. Теорема Лиувилля..........................................280 9.2.3. Уравнение баланса применительно к электронам в поле.......280 9.2.4. Разделение столкновений на упругие и неупругие ...........281 9.2.5. Интеграл столкновений.....................................282 9.3. Приближение для угловой зависимости функции распределения......283 9.3.1. Симметричная и асимметричная части функции распределения .283 9.3.2. Уравнения для функций/, /_................................284 9.4. Уравнение для энергетического спектра электронов...............286 9.4.1. Приближенное интегрирование уравнения для/_...............286 9.4.2. Уравнение для функции/ ...................................288 9.4.3. Уравнение для функции п(е)................................288 9.4.4. Диффузионный характер уравнения ..........................288 9.4.5. Учет упругих потерь.......................................289 9.4.6. Слагаемое неупругих столкновений..........................290 9.4.7. Пространственная диффузия электронов......................291 9.5. Критерии справедливости уравнения для спектра..................292 9.5.1. По величине поля .........................................292 9.5.2. По частоте поля ..........................................293 9.5.3. По пространственной однородности..........................293 9.5.4. По степени ионизации .....................................293 9.6. Сравнение некоторых выводов, вытекающих из кинетического уравнения, с результатами элементарной теории.......................294 9.6.1. Проводимость и диэлектрическая проницаемость..............294 9.6.2. Скорость изменения средней энергии спектра................295 9.6.3. Законы подобия ...........................................296
JL Оглавление 9.7. Стационарный спектр электронов в поле при действии упругих потерь и влияние неупругих.........................................297 9.7.1. Что дает элементарная теория?............................297 9.7.2. Решение кинетического уравнения (9.23)...................298 9.7.3. Распределение Дрюйвестейна...............................299 9.7.4. Влияние неупругих потерь на «хвост» энергетического спектра и скорость ионизации.......................................300 9.8. Численные расчеты для азота и воздуха.........................301 9.8.1. Колебательно-невозбужденные газы.........................302 9.8.2. Колебательно-возбужденный азот...........................304 9.9. Пространственно неоднородные поля произвольной силы...........305 9.10. Квантовое уравнение для электронного спектра и переход к классике.....................................................308 9.10.1. Формулировка уравнения .................................308 9.10.2. Диффузионное приближение................................309 9.10.3. Предельный переход......................................310 Глава 10 Электрические зонды....................................................311 10.1. Введение. Схема эксперимента.................................311 10.2. Вольт-амперная характеристика одиночного зонда...............313 10.3. Теоретические основы диагностики разреженной плазмы по электронному току...............................................314 10.3.1. Электронная температура................................314 10.3.2. Ток насыщения; потенциал и плотность зарядов в плазме..315 10.3.3. Критерий «разреженности» плазмы........................316 10.3.4. Нахождение функции распределения электронов............316 10.3.5. Применимость теории крутой части ВАХ к зондам малых размеров.................................................317 10.3.6. Почему не насыщается ток на маленький зонд?............318 10.4. Техника измерения функции распределения......................319 10.4.1. Наложение небольшого переменного напряжения ...........319 10.4.2. Пример результатов.....................................320 10.5. Ионный ток на зонд в разреженной плазме......................321 10.5.1. Ток насыщения..........................................322 10.5.2. Измерение плотности зарядов в плазме ..................322 10.5.3. Плавающий потенциал ...................................323 10.6. Ток в вакуумном диоде и слой пространственного заряда около заряженного тела.............................................323 10.6.1. Ток в вакуумном промежутке, ограниченный действием пространственного заряда.................................324 10.6.2. Оценка толщины плоского слоя...........................327 10.7. Двойной зонд.................................................327
Оглавление -Л, 13 10.7.1. Характеристика.........................................328 10.7.2. Измерение параметров плазмы ...........................329 10.7.3. Измерение электрического поля .........................330 10.8. Зонд в плазме повышенного давления...........................331 10.8.1. Приближенное равновесие в электронном газе ............331 10.8.2. Пространственное распределение плотности зарядов и потенциала в квазинейтральной области вокруг отрицательного зонда...........................................332 10.8.3. Ионный ток насыщения и оценка плотности зарядов в плазме ......................................................333 10.8.4. Об оценке электронной температуры по электронному току на зонд........................................................334 10.8.5. Слой положительного пространственного заряда ..........335 10.8.6. Плавающий потенциал и измерение распределения потенциала ..............................................336 Часть III РАЗРЯДЫ РАЗНЫХ ТИПОВ Глава 11 Пробой газов в полях различных частотных диапазонов....................339 11.1. Сущность явления.............................................339 11.2. Пробой и зажигание самостоятельного разряда в постоянном однородном поле при не слишком больших произведениях давления на длину промежутка.......................................341 11.2.1. Несамостоятельный ток в разрядном промежутке ..........341 11.2.2. Условие зажигания самостоятельного разряда.............343 11.2.3. Протекание процесса пробоя во времени..................343 11.2.4. Потенциал зажигания ...................................345 11.2.5. Пробивающие поля в воздухе и других электроотрицательных газах атмосферного давления в случае не слишком длинных промежутков; предельные^ для таунсендовского механизма пробоя...................................................348 11.2.6. Пробой вакуумных промежутков...........................350 11.3. Эксперименты по пробою в СВЧ-полях...........................351 11.3.1. Постановка опытов......................................351 11.3.2. Результаты измерений...................................352 11.3.3. Heg-газ................................................353 11.4. Интерпретация результатов экспериментов по СВЧ-пробою на основе элементарной теории......................................354 11.4.1. Уравнение кинетики ионизации...........................354 11.4.2. Стационарный критерий пробоя...........................354 11.4.3. Низкие давления........................................355
JL Оглавление 11.4.4. Высокие давления.........................................356 11.4.5. Положение минимума.......................................357 11.4.6. Неупругие потери; молекулярные, электроотрицательные газы............................................................357 11.4.7. Близость пороговых величин в постоянном и переменных полях при высоких давлениях и зависимость их от размеров........358 11.5. Вычисление частот ионизации и порогов пробоя на основе кинетического уравнения..............................................359 11.5.1. Вывод уравнения кинетики из кинетического уравнения .....359 11.5.2. Разделение переменных....................................360 11.5.3. Уравнение для спектральной функции.......................360 11.5.4. Законы подобия...........................................361 11.5.5. Постановка упрощенной задачи о влиянии неупругих потерь на частоту ионизации ...........................................362 11.5.6. Результаты решения.......................................363 11.5.7. Сравнение вычисленных частот ионизации и порогов пробоя с экспериментом.................................................364 11.6. Оптический пробой...............................................366 11.6.1. Постановка опытов........................................366 11.6.2. Результаты экспериментов.................................367 11.6.3. Пороги пробоя атмосферного воздуха.......................369 11.6.4. Многоквантовый фотоэффект................................369 11.6.5. Нестационарный критерий пробоя...........................370 11.6.6. Расчеты пороговых полей..................................371 11.6.7. Мост между СВЧ и светом..................................372 11.6.8. Длинная искра............................................373 11.7. Способы возбуждения высокочастотного поля в разрядном объеме...............................................................374 11.8. Пробой в полях высокочастотного и низкочастотного диапазонов...........................................................375 11.8.1. Амплитуда колебаний электронов мала; столкновений много .376 11.8.2. Амплитуда колебаний сравнима с размерами промежутка; столкновений много ...............................................377 11.8.3. Широкий диапазон частот, включая низкие; столкновений много ..........................................................378 11.8.4. Пробой «вакуума».........................................380 Глава 12 Стабильный тлеющий разряд.................................................381 12.1. Общая структура и внешний вид...................................381 12.1.1. Отличительные черты......................................381 12.1.2. Разрядные устройства.....................................381 12.1.3. Картина свечения.........................................382 12.1.4. Изменение условий........................................384
Оглавление -Л, 15 12.1.5. Распределения параметров по длине......................384 12.1.6. Качественная интерпретация картины свечения............385 12.1.7. Направляющее действие зарядов, оседающих на стенках....386 12.2. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами........387 12.2.1. Нагрузочная прямая.....................................387 12.2.2. Темный таунсендовский разряд...........................388 12.2.3. Тлеющий разряд.........................................388 12.3. Темный разряд и роль пространственных зарядов в образовании катодного слоя......................................................389 12.3.1. Распределение зарядов в слаботочном темном разряде.....390 12.3.2. Искажение внешнего поля................................391 12.3.3. Предельный ток существования темного разряда...........392 12.3.4. Условие самоподдержания разряда в плоском промежутке в случае неоднородного поля.....................................392 12.3.5. Что происходит с напряжением в результате действия пространственного заряда........................................393 12.4. Катодный слой..................................................393 12.4.1. Что дает катодный слой.................................393 12.4.2. Вольт-амперная характеристика..........................394 12.4.3. Нормальные катодное падение и плотность тока...........396 12.4.4. Аномальный разряд .....................................399 12.4.5. В каком диапазоне токов существует нормальный разряд...399 12.4.6. Поднормальный разряд...................................399 12.4.7. Затрудненный разряд....................................399 12.4.8. Нормальный разряд и принцип минимума мощности .........400 12.4.9. Механизм установления нормальной плотности тока........401 12.4.10. Расширение токового пятна на катоде...................404 12.4.11. Нелокальный характер электронного спектра и ионизационного коэффициента в катодном слое...................................406 12.5. Области отрицательного свечения и темного фарадеева пространства........................................................410 12.5.1. Определяющая роль энергичных электронов, поступающих из катодного слоя.............................................. 410 12.5.2. Данные зондовых измерений .............................411 12.5.3. Роль электронной диффузии..............................413 12.5.4. Основные факторы, определяющие продольную структуру разряда и результаты ее численного моделирования................413 12.5.5. Разряд с полым катодом ................................416 12.6. Положительный столб............................................416 12.6.1. Его предназначение; причинные связи.....................416 12.6.2. Баланс числа зарядов в газах без прилипания ...........417 12.6.3. Поле в столбе и ВАХ ...................................418 12.6.4. Электронная температура и ее связь с полем ............420
JL Оглавление 12.6.5. Почему степень ионизации в слабоионизованной газоразрядной плазме сильно неравновесна.....................................421 12.6.6. Неоднородный плазменный столб...........................422 12.7. Влияние нагрева газа на поле и ВАХ положительного столба......423 12.7.1. Теплопроводностный вывод джоулева тепла ...............423 12.7.2. Конвективный теплоотвод................................424 12.7.3. Баланс энергии газа....................................424 12.7.4. Падающая ВАХ...........................................424 12.7.5. Устойчивое и неустойчивое состояния....................425 12.7.6. Температура газа и масштабы электрических параметров в диффузном тлеющем разряде....................................426 12.7.7. Состояние газа и механизмы ионизации в положительном столбе разряда в азоте................................................427 12.8. Плазма электроотрицательных газов............................429 12.8.1. Разряд, контролируемый прилипанием.....................429 12.8.2. Зарядовая кинетика при действии отлипания..............432 12.8.3. Эффективный коэффициент рекомбинации...................432 12.8.4. ВАХ; зарядовый состав плазмы и скорость отлипания......433 12.9. Разряд в быстром потоке газа.................................434 12.9.1. Турбулентный вынос зарядов к стенкам..................435 12.9.2. Конвективный вынос зарядов............................435 12.9.3. Влияние на накопление активных в отношении отлипания молекул........................................................436 12.10. Анодный слой................................................436 12.10.1. Рождение ионов.......................................436 12.10.2. Падение потенциала и плотность тока..................437 12.10.3. Пронизывают ли положительный столб ионы, рожденные в анодном слое?................................................438 Глава 13 Неустойчивости тлеющего разряда и их последствия.......................439 13.1. От чего возникают и к чему приводят неустойчивости?..........439 13.1.1. Феноменологический признак устойчивости или неустойчивости.............................................439 13.1.2. Стабилизирующие и дестабилизирующие факторы ...........440 13.1.3. Продольные и поперечные неоднородности и их результаты..441 13.1.4. Принципы анализа на устойчивость.......................442 13.2. Квазистационарные параметры..................................443 13.2.1. «Быстрые» и «медленные» процессы.......................443 13.2.2. Временные масштабы различных процессов.................443 13.2.3. Квазистационарность тока...............................445 13.2.4. Квазистационарность электронной температуры............446 13.2.5. Нарушения квазистационарности Те.......................446
Оглавление -Л, 17 13.3. Возмущения поля и электронной температуры в условиях ее квазистационарности.................................................447 13.3.1. Потенциальность поля...................................447 13.3.2. Поперечные неоднородности..............................447 13.3.3. Связь продольных возмущений Те, Е'и пе.................448 13.4. Ионизационно-перегревная неустойчивость.......................449 13.4.1. Порог и инкремент......................................449 13.4.2. Молекулярный газ с замедленной колебательной релаксацией.....................................................450 13.4.3. Стабилизирующее действие ионизации внешним источником .....................................................451 13.4.4. Повышенная устойчивость разрядов в переменных полях....452 13.5. Прилипательная неустойчивость.................................453 13.5.1. Устойчивость разряда, контролируемого прилипанием......453 13.5.2. Механизм неустойчивости ...............................453 13.5.3. Инкремент..............................................454 13.5.4. Домены ................................................455 13.6. Некоторые другие часто действующие дестабилизирующие факторы.............................................................455 13.6.1. Ступенчатая ионизация..................................455 13.6.2. Максвеллизация электронов .............................456 13.6.3. Удары второго рода ....................................457 13.7. Страты........................................................457 13.7.1. Наблюдения.............................................457 13.7.2. Условия возникновения..................................459 13.7.3. Теория ионизационных волн малой амплитуды..............460 13.7.4. Почему страты движутся.................................462 13.7.5. Оценка скорости и частоты страт........................463 13.7.6. Страты большой амплитуды...............................464 13.7.7. Эксперимент и его интерпретация .......................465 13.7.8. Чем «выгодно» стратифицированное состояние?............466 13.8. Контракция положительного столба............................467 13.8.1. Результаты эксперимента................................467 13.8.2. Что необходимо для возникновения контракции............470 13.8.3. Механизмы нелинейного рождения.........................471 13.8.4. Контракция в разряде с потоком.........................471 13.8.5. Шнур и дуга............................................472 Глава 14 Дуговые разряды.........................................................473 14.1. Определение и отличительные признаки дуги....................473 14.2. Виды дуг......................................................474 14.2.1. Дуга с горячим термоэмиссионным катодом................474
¹⁸ -V Оглавление 14.2.2. Дуги с внешним накалом катода............................474 14.2.3. Дуги с «холодным» катодом и катодными пятнами............475 14.2.4. Вакуумная дуга...........................................475 14.2.5. Дуга высокого давления...................................475 14.2.6. Дуга сверхвысокого давления,^ > 10 атм ..................475 14.2.7. Дуги низкого давления....................................476 14.2.8. Особые виды .............................................476 14.3. Зажигание дуги..................................................476 14.3.1. Способы инициирования....................................476 14.3.2. Переход из тлеющего разряда в дуговой....................477 14.3.3. Кратковременное прерывание тока..........................477 14.3.4. Дуга переменного тока....................................477 14.4. Угольная дуга в свободном воздухе...............................478 14.5. Прикатодные процессы в дуге с горячим катодом...................480 14.5.1. Назначение катодного слоя................................480 14.5.2. Структура катодного слоя.................................481 14.5.3. Поле у катода ...........................................482 14.5.4. Баланс энергии на катоде и доля ионного тока.............483 14.5.5. Результаты измерений.....................................485 14.5.6. Полый катод..............................................486 14.6. Катодные пятна и вакуумная дуга.................................486 14.6.1. Основные экспериментальные факты.........................487 14.6.2. Состояние теории катодных пятен..........................490 14.6.3. Механизм эмиссии.........................................491 14.6.4. Взрывная эмиссия.........................................493 14.7. Анодная область.................................................494 14.7.1. Падение потенциала ......................................495 14.7.2. Анод угольной дуги.......................................496 14.7.3. Баланс энергии...........................................496 14.8. Дуга низкого давления с искусственным накалом катода............497 14.8.1. В чем смысл газового наполнения .........................497 14.8.2. Катодный слой как вакуумный промежуток с биполярным током, ограниченным пространственным зарядом............................498 14.8.3. Эксперимент..............................................500 14.9. Положительный столб дуги высокого давления (экспериментальные факты).............................................500 14.9.1. Стабилизация ............................................500 14.9.2. Степень равновесности плазмы.............................501 14.9.3. Радиальные распределения температуры и плотности электронов.......................................................502 14.9.4. ВАХ......................................................502 14.9.5. Излучение столба.........................................503 14.10. Температура плазмы и ВАХ столба дуги высокого давления..........504
Оглавление -Л, 19 14.10.1. Термическая ионизация.................................504 14.10.2. Уравнения столба равновесной плазмы...................506 14.10.3. Каналовая модель и принцип минимума мощности..........509 14.10.4. Баланс энергии в токопроводящем канале................510 14.10.5. Количественное определение понятия канала и замыкание системы уравнений каналовой модели............................511 14.10.6. Температура плазмы....................................512 14.10.7. Закономерности столба.................................513 14.10.8. Достижение возможно более высоких температур..........515 14.11. Отрыв электронной и газовой температур в равновесной плазме..............................................................515 14.11.1. Уравнение баланса энергии электронов, взаимодействующих с полем и нагретым газом......................................516 14.11.2. Критерий равновесия...................................516 14.11.3. Почему при одинаковых условиях для поддержания равновесной плазмы требуется меньшее поле, чем для поддержания неравновесной? ...............................................517 14.11.4. Когда плазма бывает равновесной?......................518 Глава 15 Поддержание и генерация равновесной плазмы в разрядах различных частотных диапазонов....................................................519 15.1. Введение. Баланс энергии плазмы:..............................519 15.1.1. Уравнение баланса энергии .............................519 15.1.2. Закон сохранения полного потока энергии в стационарных статических разрядах...........................................520 15.1.3. Интеграл потоков ......................................521 15.2. Столб дуги в постоянном поле..................................521 15.3. Высокочастотный индукционный разряд...........................522 15.3.1. Вводные замечания......................................522 15.3.2. Уравнения разряда в длинном соленоиде..................523 15.3.3. Индукционный нагрев материалов.........................524 15.3.4. Модель металлического цилиндра.........................524 15.3.5. Радиус плазменного проводника..........................526 15.3.6. Температура плазмы.....................................526 15.3.7. Точное соотношение для температуры.....................527 15.3.8. Примеры вычислений и экспериментальные измерения.......528 15.3.9. Пороговые условия существования равновесной плазмы.....529 15.3.10. Устойчивые и неустойчивые состояния...................530 15.4. Сверхвысокочастотные разряды..................................531 15.4.1. Разряд в волноводе.....................................531 15.4.2. Разряд в резонаторе....................................532 15.4.3. Поддержание плазмы плоской электромагнитной волной ....533 15.4.4. Приближенное решение...................................534
JL Оглавление 15.4.5. Предел геометрической оптики............................536 15.4.6. Предел квазистационарного поля (ВЧ-разряд) .............536 15.5. Непрерывный оптический разряд.................................537 15.5.1. Особенности оптического способа поддержания плазмы......537 15.5.2. Схема экспериментов.....................................538 15.5.3. Поглощение излучения СО₂-лазера в плазме.................539 15.5.4. Температура плазмы и пороговая мощность.................540 15.5.5. Необходимые лазерные мощности...........................542 15.5.6. Почему в оптическом разряде получается необычно высокая температура.....................................................542 15.5.7. Измерения температур и порогов..........................543 15.5.8. Двумерные расчеты и одномерная модель...................545 15.6. Генераторы плотной низкотемпературной плазмы — плазмотроны..........................................................547 15.6.1. Дуговые плазмотроны.....................................547 15.6.2. ВЧ-плазмотрон...........................................548 15.6.3. СВЧ-плазмотроны.........................................549 15.6.4. Оптический плазмотрон...................................550 15.7. Некоторые общие черты равновесных разрядов в потоке газа.......552 15.7.1. Обтекание или протекание?...............................552 15.7.2. Нормальная скорость распространения разряда ............553 15.7.3. Течение в плазмотроне ..................................555 15.7.4. Распространение разрядов ...............................556 Глава 16 Искровой разряд.........................................................557 16.1. Общие представления...........................................557 16.1.1. Внешняя картина. Искровой и коронный разряды............557 16.1.2. Неприемлемость таунсендовской схемы пробоя в случае высоких давлений, длинных промежутков, значительных перенапряжений..................................................559 16.1.3. Стримерная теория.......................................560 16.1.4. Лидер ..................................................561 16.1.5. Что считать пробоем? ...................................561 16.2. Одиночная электронная лавина..................................562 16.2.1. Числа и диффузионные пространственные распределения зарядов.........................................................562 16.2.2. Видимые очертания лавины ...............................563 16.2.3. Экспериментальное исследование лавин ...................564 16.2.4. Искажение поля пространственным зарядом.................565 16.2.5. Расталкивание электронов................................567 16.3. Понятие о стримере.............................................568 16.3.1. Механизм образования катодонаправленного стримера.......568
Оглавление -Л, 21 16.3.2. Критерий возникновения..................................570 16.3.3. Анодонаправленный стример ..............................571 16.4. Пробой в электроотрицательных газах (воздухе) в недлинных промежутках с однородным полем......................................572 16.4.1. Пробивающие поля........................................572 16.4.2. Элегаз..................................................573 16.4.3. Размножение лавин или стример? .........................574 16.4.4. Влияние перенапряжения на механизм пробоя...............575 16.4.5. Влияние присутствия отрицательных ионов на образование стримера........................................................576 16.5. Искровой канал................................................576 16.5.1. Обратная волна сильного поля и ионизации................576 16.5.2. Расширение искрового канала ............................577 16.6. Стримерный процесс............................................578 16.6.1. Ранние модели...........................................578 16.6.2. Процесс в стримерной головке как волна ионизации .......579 16.6.3. Оценка стримерных параметров............................580 16.6.4. Процессы в канале и рост стримера.......................583 16.6.5. Среднее внешнее поле, нужное для продвижения положительного стримера........................................................586 16.6.6. Температура газа в стримерном канале....................587 16.6.7. Отрицательный стример...................................588 16.6.8. Взаимосвязанные разнополярные стримеры..................589 16.6.9. Стримерная вспышка......................................590 16.6.10. Возможен ли стримерный пробой?.........................591 16.7. Пробой длинных воздушных промежутков с сильно неоднородным полем (эксперимент) ...................................593 16.7.1. Влияние неоднородности поля на пробивные напряжения.....593 16.7.2. Влияние полярности......................................595 16.7.3. О чем говорит малость средних пробивных полей? .........596 16.7.4. Влияние скорости нарастания напряжения..................597 16.7.5. Сверхдлинные промежутки.................................598 16.8. Лидерный процесс; положительный лидер.........................598 16.8.1. Почему длинная искра не может быть простым плазменным каналом типа стримерного? ......................................598 16.8.2. Структура положительного лидера.........................600 16.8.3. Стримерно-лидерный переход..............................601 16.8.4. Микроступенчатый рост и средняя скорость положительного лидера ........................................................ 604 16.8.5. Некоторые данные о параметрах лидера, извлеченные из экспериментов ...............................................605 16.8.6. Простейшая полуэмпирическая модель роста лидера.........607 16.8.7. Напряжение, нужное длинной искре, и прочность длинных промежутков...............................................608
™ Л- Оглавление 16.9. Отрицательный ступенчатый лидер..............................609 16.10. Обратная волна (возвратный удар)............................612 16.11. Молния......................................................615 16.11.1. Грозовое облако.......................................615 16.11.2. Методы исследования...................................617 16.11.3. Ход событий...........................................617 16.11.4. Как зарождается молния?...............................619 16.11.5. Несхожесть первого и последующих лидеров..............620 16.11.6. Возвратный удар ......................................622 Глава 17 Коронный разряд...........................................................624 17.1. Распределения поля в простейших случаях......................624 17.2. Зажигание короны.............................................625 17.2.1. Критерии зажигания ....................................625 17.2.2. Пороги зажигания в воздухе.............................626 17.2.3. Запаздывание зажигания ................................627 17.3. Перенос тока за пределами области размножения и ВАХ..........628 17.4. Потери на корону в высоковольтных линиях.....................629 17.5. Прерывистая корона...........................................630 17.5.1. Положительное острие...................................631 17.5.2. Отрицательное острие...................................631 17.6. Нестационарная корона в естественных условиях...................632 17.6.1. Коронирование высоких сооружений при грозе.............632 17.6.2. Нестационарная сферическая корона......................634 17.6.3. Влияние земли..........................................636 17.6.4. Предельный ток бесстримерной короны ...................638 17.6.5. Замечания о влиянии короны на молнию ..................639 17.7. Корона и пробой газа постоянным полем в сферическом и цилиндрическом промежутках........................................639 Глава 18 Высокочастотный емкостный разряд.......................................642 18.1. Дрейфовые качания электронного газа..........................642 18.1.1. Вводные замечания......................................642 18.1.2. Распределения пространственного заряда, поля и потенциала в плоском промежутке...........................................643 18.2. Идеализированная модель протекания быстропеременного тока через длинный плоский промежуток при повышенных давлениях...........................................................645 18.2.1. Уравнения электрического процесса в безэлектродном случае.645 18.2.2. Уравнения в случае оголенных электродов................647 18.2.3. Решение для случая изолированных электродов............647 18.2.4. Вариант с оголенными электродами.......................649
Оглавление -\т ²³ 18.3. ВАХ однородного положительного столба..........................649 18.3.1. Частота ионизации ВЧ-полем .............................649 18.3.2. Пример расчета ВАХ......................................650 18.3.3. Пример расчета электрических параметров безэлектродного разряда.........................................................651 18.4. Эксперимент — о двух формах существования ВЧЕ-разрядов и постоянном положительном потенциале пространства..................652 18.4.1. Скачки на кривых потенциала зажигания...................652 18.4.2. а- и /-разряды..........................................653 18.4.3. Постоянный потенциал пространства в ВЧЕ-разряде низкого давления........................................................653 18.4.4. Слаботочный и сильноточный (о /) ВЧЕ-разряды среднего давления........................................................655 18.4.5. Область существования слаботочного разряда..............659 18.4.6. Безэлектродный электродный и электродный безэлектродный разряды.........................................................659 18.5. Электрические процессы в непроводящем приэлектродном слое и механизм замыкания тока............................................660 18.5.1. Что такое ток смещения..................................660 18.5.2. Поле в слоях............................................662 18.5.3. Заряды и токи...........................................663 18.5.4. Реальность и символы....................................663 18.5.5. Изолированные электроды.................................664 18.6. Постоянный положительный потенциал плазмы слаботочного разряда..............................................................664 18.6.1. Определение.............................................664 18.6.2. Электроны совершают дрейфовые колебания, газ заряжен....665 18.6.3. Влияние неоднородности распределения ионов .............665 18.6.4. Дрейфовые колебания, газ электронейтрален...............666 18.6.5. Низкие давления.........................................666 18.7. Сильноточный режим.............................................667 18.7.1. Общее со слаботочным....................................667 18.7.2. Сущность отличия .......................................668 18.7.3. Вторичное зажигание.....................................669 18.7.4. Плотность тока..........................................670 18.7.5. Простейшая модель функционирования «катодных» слоев.....671 18.7.6. Контракция разряда и условия ее отсутствия .............673 18.8. Структура разряда среднего давления по результатам численного моделирования.......................................................674 18.8.1. Уравнения ..............................................674 18.8.2. Результаты..............................................675 18.8.3. Отрицательное свечение и темное фарадеево пространство..679 18.9. Нормальная плотность тока в слаботочном режиме и пределы его существования...................................................680 18.9.1. Физическая причина......................................680
JL Оглавление 18.9.2. О роли нагрева газа и расширении области существования слаботочного режима............................................680 18.9.3. Замечание о ВЧЕ-разрядах низкого давления.................681 18.10. Диэлектрический барьерный разряд...............................681 18.10.1. Плазменный дисплей.......................................682 18.10.2. Индивидуальный разрядный импульс.........................684 18.10.3. Периодический разрядный процесс. Оптимальный режим.......685 18.10.4. Общий случай частичного уничтожения поля.................689 18.10.5. «Вольт-кулонные» характеристики .........................689 18.10.6. Анализ периодического режима на устойчивость.............690 18.10.7. Области устойчивых состояний на фактических характеристиках и диапазон допустимых рабочих напряжений.......................692 18.10.8. Барьерный разряд таунсендовского типа....................694 18.10.9. «Копланарная» схема .....................................696 Глава 19 Разряды в мощных СО₂-лазерах непрерывного действия........................698 19.1. Принцип работы электроразрядного лазера на СО₂..................698 19.1.1. Лазерный переход в молекуле СО₂...........................698 19.1.2. Механизм создания инверсной заселенности .................699 19.1.3. Недопустимость сильного нагрева...........................700 19.1.4. Лазерная смесь ...........................................700 19.2. Два типа лазеров, различающихся способом теплоотвода............701 19.2.1. Лазеры с диффузионным охлаждением ........................701 19.2.2. Быстропроточные лазеры с конвективным охлаждением.........703 19.3. Способы борьбы с неустойчивостями...............................704 19.3.1. Задача достижения принципиального предела по энерговкладу.704 19.3.2. Секционирование катода ...................................705 19.3.3. Управление потоком........................................706 19.3.4. Применение несамостоятельного разряда.....................707 19.4. Пути организации разряда в больших объемах с протоком газа......708 19.4.1. Поперечный самостоятельный разряд.........................708 19.4.2. Продольный самостоятельный разряд.........................709 19.4.3. Несамостоятельный разряд с ионизацией электронным пучком .709 19.4.4. Комбинированный разряд с постоянным и ВЧ-полем............710 19.4.5. Несамостоятельный разряд с ионизацией газа повторяющимися емкостными импульсами..........................................711 19.4.6. Разряд переменного тока ..................................713 19.4.7. Самостоятельный высокочастотный емкостный разряд..........714 Дополнение................................................................716 Принцип работы магнитогидродинамического генератора.......................716 Приложение................................................................718 Некоторые константы, формулы, соотношения между единицами, часто встречающиеся и часто употребляемые в физике газового разряда.............718 Список литературы.........................................................725
ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ Второе издание «Физики газового разряда», вышедшее в 1992 г., готовилось одновременно с его английской копией, опубликованной издательством «Шпрингер» в 1991 г. Книга пользовалась большим спросом, и в 1997 г. в издательстве «Шпрингер» вышел дополнительный тираж, практически без изменений. Оба издательства, и наше, и «Шпрингер», настаивали на сокращении исходного русского издания 1987 г. Поскольку новый вариант книги нужно было, напротив, дополнить фактическим материалом, непосредственно относящимся к разрядам, и частично усовершенствовать с учетом новых данных и нового понимания автором некоторых явлений, из первого издания пришлось изъять заметную часть материала. Это было сделано за счет глав, вспомогательных по отношению к описанию непосредственно разрядных процессов: об упругих и неупругих столкновениях частиц, об электронно-ионно-молекулярных реакциях, о термодинамических свойствах плазмы, катодной эмиссии и др. Между тем опыт дальнейшей исследовательской работы и преподавания автором и отзывы коллег показали, что часть выброшенного материала на самом деле крайне полезна и нередко приходится обращаться и отсылать студентов и других читателей к первому изданию. Там в соответствующих главах был в концентрированной и доступной форме изложен материал, касающийся столкновений и реакций, который был отобран специально для исследователей именно газоразрядных явлений, чтобы разъяснить сущность физических механизмов столкновений и реакций и снабдить их нужной информацией, разбросанной по множеству книг и статей, часто весьма объемистых. Вынужденное сокращение нанесло явный ущерб книге, которая по своему замыслу должна служить возможно более полным руководством для специалистов и учебником для студентов и начинающих. Издательство, взявшееся ныне за переиздание «Физики газового разряда», явно востребованной и давным-давно превратившейся в библиографическую редкость у нас и за рубежом, не предъявляло никаких требований, предоставив автору самому оптимизировать объем книги. Поэтому наиболее полезная часть выброшенного из первого издания материала возвращена, главным образом в нынешние гл. 2, 3, 5, 6. Но этим не ограничиваются отличия настоящего издания от второго и его английского варианта. Со времени подготовки последних минуло почти 20 лет, которые не прошли
²⁶ -V Предисловие к третьему изданию бесследно ни для науки о газовых разрядах, ни для автора. Конечно, во все предыдущие версии книги по возможности отбирался материал, в значительной мере устоявшийся и не подверженный особым изменениям. Но все равно за истекшие годы появилось много нового, интересного и нужного, а у автора изменились представления о некоторых явлениях и возникло, по-видимому, более адекватное их понимание. Всю книгу переписать заново было невозможно, но частично это сделано. Коренной переработке подверглась самая длинная и наиболее трудная глава об искровом (и коронном) разряде; новые гл. 16 и 17. Изъяты устаревшие представления о стримерном и лидерном процессах, фундаментальных для физики длинной искры и молнии и имеющих первостепенное практическое значение. Они заменены весьма продвинутыми, хотя и по-прежнему далеко не совершенными представлениями, как они сформировались в понимании автора. Последнему в большой мере способствовала многолетняя совместная работа с Э.М. Базеляном, с которым написаны опубликованные в России и за рубежом книги об искровом разряде (1997 г.) и молнии (2001 г.), а также много статей о коронном разряде и влиянии его на притяжение молний к высоким сооружениям (эти последние работы сделаны в соавторстве с Н.Л. Александровым). Существенно дополнена гл. 12, куда включен более поздний, чем второе издание, материал о структуре катодных частей тлеющего разряда, ясно раскрывающий механизм возникновения областей отрицательного свечения, фарадеева пространства и перехода к положительному столбу, а также механизм расширения токового пятна на катоде тлеющего разряда. В гл. 18 добавлены более поздние результаты, проясняющие механизм формирования двух форм высокочастотного емкостного разряда и др. Туда же включен совершенно новый большой раздел о диэлектрическом барьерном разряде, которому в последние десятилетия уделялось и продолжает уделяться много внимания в связи с актуальными практическими приложениями (плазменные дисплеи, новое поколение цветных телевизоров). Сделаны также дополнения вгл.9и др. Сентябрь 2008 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ Наука о газовых разрядах необходима многим физикам. Она нужна инженерам, специализирующимся в области электротехники, радиотехники, энергетики, электроники, светотехники, лазеров, плазмохимии, сварки. Изучают газовый разряд по нескольким книгам из числа приведенных в списке литературы под начальными номерами. К тем же книгам обращаются за разъяснениями и справками в процессе работы. И хотя эти книги приобрели заслуженную популярность, неизбежно сказывается давность их написания. Дело не в том, что устарел и потерял ценность содержащийся в них материал — это произошло лишь в небольшой степени. Сама наука сильно продвинулась в «ширину и глубину», и в ней несколько сместились акценты. Журнальная литература по разрядам выросла необозримо, монографическая, напротив, скудна, но и та и другая чаще всего трудны для восприятия, в особенности когда дело касается теории, тем более что газоразрядные эффекты на редкость сложны, многогранны и запутаны. Нужны новые руководства, систематически охватывающие широкий круг вопросов, который ныне подключен к физике газового разряда, ясные, доступные малоподготовленному читателю, студенту и вместе с тем несущие столько и, главное, той информации, которая будет полезна и работающим специалистам. Такими качествами мы старались в рамках отпущенного объема наделить предлагаемую книгу, которая по замыслу должна служить учебником и руководством. Большое внимание в ней уделяется четкости изложения фактов, разъяснению физической сущности явлений и закономерностей. Из необъятного материала отобрано по возможности то, что способствует углубленному пониманию физики и с чем чаще приходится сталкиваться современному исследователю. Мы стремились включить в книгу как можно больше полезных для работы сведений: экспериментальных фактов и результатов расчетов, характерных значений различных величин, данных справочного характера, выбирая из всей их массы то, что удобнее иметь собранным в одном томе под рукой. Все нужные для оценок формулы доведены до ясного расчетного вида. Из-за ограниченности объема о некоторых видах разряда пришлось говорить менее подробно, чем они того заслуживают, а некоторых, менее распространенных форм не касаться вообще. Мы сочли целесообразным пол
²⁸ -V Предисловие к первому изданию ностью отказаться от рассмотрения практических схем, техники, методики (но не идейной стороны) экспериментов и измерений, чтобы сосредоточиться на физике самих исследуемых процессов. По той же причине мы не затрагиваем чисто технических приложений газового разряда. Ссылки на оригинальные статьи даются только при изложении чьих-то конкретных результатов не очень давнего времени или указаний на таковые. В остальных случаях чаще всего указываются книга или обзор, где ссылки имеются или же откуда был взят какой-то график или другой справочный материал. При таком охвате тематики давать сколько-нибудь полную библиографию было бы немыслимо. Достаточно сказать, что в книге Н.А. Кап-цова 1950 г. содержится 2524 ссылки. Сейчас при такой же полноте цитирования их было бы на порядок больше. Автор глубоко благодарен А.В. Елецкому и Л.Д. Цендину, которые прочли рукопись и сделали много полезных замечаний, а также Н.М. Сериковой за большую помощь при ее подготовке. Октябрь 1986 г.
ГЛАВА ВВЕДЕНИЕ 1 1.1. ЧТО ИЗУЧАЕТ ФИЗИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА Термин «газовый разряд» происходит от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, включающую в себя газовый промежуток между электродами. При достаточно высоком напряжении в газе происходит пробой и возникает ионизованное состояние. Со временем разрядом стали называть всякий процесс протекания электрического тока через ионизованный газ, а также любой процесс возникновения ионизации под действием приложенного электрического поля. Поскольку в достаточной степени ионизованный газ светится, стали говорить: зажигается разряд, горит, гаснет. Протекание электрического тока обычно ассоциируется с представлением о цепи, составленной из проводников. Но в быстропеременных электрических полях, а тем более в поле электромагнитных излучений для направленного движения зарядов, т. е. электрического тока, вовсе не требуется присутствия замкнутой цепи и электродов. Вместе с тем многие эффекты, которые наблюдаются в газе при действии переменных полей и электромагнитных волн: пробой, поддержание состояния ионизации, диссипация энергии поля, в принципе не отличаются от того, что происходит в постоянном поле. Все подобные процессы теперь называют разрядными и включают в физику газового разряда. Вообще факт протекания незамкнутых электрических токов в полях электромагнитных волн не имеет никакого значения. О диссипации энергии поля в этих случаях говорят не как о выделении джоулева тепла электрическим током, а как о поглощении излучения. Итак, современная физика газового разряда изучает процессы, связанные с протеканием электрического тока в газах, с возникновением и поддержанием под действием поля самой способности газа проводить электричество и поглощать электромагнитные излучения. Физика газового разряда охватывает великое множество сложных, запутанных, многогранных явлений, насыщена невообразимым количеством экспериментальных фактов и теоретических построений. Приступая к их изучению, целесообразно выделить основные типы разрядных процессов и классифицировать их.
зо “V Глава 1. Введение 1.2. ТИПИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ПОСТОЯННОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ С несколькими важнейшими видами разрядов можно познакомиться при помощи сравнительно простого эксперимента. Два металлических электрода А и К, подключаемых к источнику постоянного напряжения, вводят в стеклянную трубку (рис. 1.1). Трубку можно откачивать и наполнять разными газами при разных давлениях. При проведении опыта измеряют напряжение на электродах и ток в цепи. Это классическое устройство уже 150 лет служит для изучения разрядных процессов и не утратило своего значения и поныне. Рис. 1.1. Газоразрядная трубка Если подать на электроды небольшое напряжение, скажем десятки вольт, никаких видимых эффектов не произойдет, но сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание чрезвычайно слабого тока, может быть 10⁻¹⁵ А. Под действием космического излучения и естественной радиоактивности в газе образуются заряды. Поле вытягивает их к электродам противоположного знака, что дает ток. Можно получить ток до 10⁻⁶ А, если специально облучать газ радиоактивным или рентгеновским источником. Но все равно соответствующая ионизация слишком мала, чтобы газ светился. Разряд и электрический ток, которые возникают только благодаря действию постороннего ионизующего агента или в результате эмиссии электронов или ионов с электродов под действием посторонних причин (например, вследствие накаливания катода), называют несамостоятельными. При увеличении напряжения несамостоятельный ток сначала возрастает, так как все большую часть зарядов удается вытянуть на электроды до того, как они прорекомби-нируют. Но когда поле успевает вытягивать все образующиеся заряды, ток перестает расти и достигает насыщения, ибо он лимитируется скоростью образования ионов. Далее, если увеличивать напряжение, при некотором его значении ток резко возрастает и появляется свечение. Это происходит пробой — один из важнейших разрядных процессов. При давлении р - 1 Тор = 1 мм рт. ст. и межэлектродном расстоянии L - 1 см напряжения пробоя составляют несколько сотен вольт. Пробой начинается с некоторого числа случайных или искусственно впрыснутых электронов, когда хотят стимулировать процесс. Но разряд немедленно приобретает самостоятельность и не нуждается больше в посторонней поддержке. В поле электрон ускоряется и набирает энергию. Достигнув потенциала ионизации атомов, он вырывает другой электрон, затрачивая на это приобретенную энергию. В результате такого акта иони
1.2. Типичные разряды в постоянном электрическом поле -Лл 31 зации появляются два медленных электрона. Они повторяют тот же цикл, и т. д. Так развивается электронная лавина и происходит размножение электронов. За 10 ⁷— 10 ³ с газ ионизуется заметным образом и электрический ток вырастает на несколько порядков. Дальнейший ход процесса зависит от ряда условий. При небольших давлениях (например, 1 — 10 Тор) и большом электрическом сопротивлении внешней цепи, которое не позволяет течь большому току, в результате пробоя зажигается тлеющий разряд — один из наиболее распространенных и важных типов разряда. Для него характерны небольшая сила тока (i ~ 10 б—10 ¹ А в трубках радиусом R ~ 1 см) и довольно высокое напряжение (сотни и тысячи вольт). В достаточно длинной трубке (скажем, L ~ 30 см) прир ~ 1 Тор образуется однородный по длине, красиво светящийся столб. Так делают красочные рекламные трубки для улиц. Практически повсюду, за исключением приэлектродных областей, ионизованный газ в столбе электронейтрален, т. е. представляет собою плазму. Это так называемый положительный столб тлеющего разряда. Плазма в нем ионизована очень слабо, до степени ионизации 10 ³—10 б, и в двух отношениях не равновесна. Электроны, непосредственно приобретающие энергию от поля, обладают средней энергией Ё ~ 1 эВ и температурой Те ~ 10⁴ К. Между тем температура газа, в том числе и ионов, Т ненамного превышает температуру окружающей среды 300 К. Такое неравновесное состояние с сильным отрывом электронной и газовой температур поддерживается из-за малой скорости выделения джоулева тепла при относительно больших теплоемкости газа и скорости его естественного охлаждения. Неравновесна и степень ионизации. Она на много порядков ниже термодинамически равновесной величины, соответствующей температуре электронов. Это происходит из-за большой скорости гибели зарядов в холодном газе. Если давление газа высоко, порядка атмосферного, а сопротивление внешней цепи мало, так что цепь может пропустить сильный ток, вскоре после пробоя обычно зажигается дуговой разряд. Для дуги характерны сильный ток (i > 1 А), низкое напряжение (десятки вольт) и ярко светящийся столб. В дуге выделяется большая мощность, стеклянная трубка довольно скоро разрушается от перегрева. Поэтому, зажигая дуговой разряд в замкнутом сосуде, нужно позаботиться об интенсивном отводе тепла от его стенок. Дугу часто зажигают прямо в открытом воздухе. Тогда тепло рассеивается в пространстве. В дуге атмосферного давления обычно образуется термодинамически равновесная, так называемая низкотемпературная плазма с Те ~ Т ~ 10⁴ К и соответствующей таким температурам равновесной степенью ионизации 10 ³—10 ¹. Дуговой разряд существенно отличается от тлеющего механизмом электронной эмиссии с катода (без катодной эмиссии не мог бы течь постоянный ток). В тлеющем разряде электроны вырываются с поверхно
JL Глава 1. Введение сти холодного металла под действием вытягиваемых на катод положительных ионов. В дуговом разряде из-за сильного тока катод разогревается либо по всей поверхности, либо локально, и происходит термоэлектронная эмиссия. При давлениях р ~ 1 атм, расстояниях между электродами L > 10 см и достаточно высоких напряжениях происходит искровой разряд. Пробой при этом осуществляется путем быстрого прорастания плазменного канала от одного электрода к другому. Потом происходит как бы короткое замыкание электродов сильноионизованным искровым каналом. Грандиозной формой искрового разряда является молния, для которой «электродами» служат заряженное электричеством облако и земля. В сильнонеоднородных полях, недостаточных для пробоя всего промежутка, может возникнуть коронный разряд. Светящаяся корона появляется около острий, где концентрируется поле, проводов, находящихся под напряжением, около линий электропередачи. 1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ РАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ Разряды в постоянном поле можно разделить на несамостоятельные и самостоятельные. Последние гораздо более распространены, разнообразнее и богаче физическими эффектами. Ими мы и будем заниматься. Среди стационарных или квазистационарных самостоятельных разрядов постоянного тока выделяются тлеющие и дуговые. Принципиально они различаются катодными процессами, как отмечалось в разд. 1.2. К тлеющему разряду относительно близок темный таунсендовский разряд. Ток в нем совсем слабый (катод, естественно, холодный). Особняком стоит коронный разряд, тоже самостоятельный и слаботочный. Корона у катода имеет общие черты с тлеющим и темным разрядами. Среди быстротечных разрядов резко выделяется искровой. Многие черты объемных плазменных (т. е. неэлектродных) процессов, характерных для пробоя в постоянном электрическом поле, для тлеющего и дугового разрядов, свойственны разрядам в быстропеременных полях, где присутствие электродов вообще не является обязательным. Поэтому целесообразно провести также классификацию, минуя признаки, связанные с электродными эффектами. В основу классификации положим два признака: состояние ионизованного газа и частотный диапазон приложенного поля. По первому признаку будем различать: 1) пробой газа; 2) поддержание полем неравновесной плазмы; 3) поддержание равновесной плазмы.
Доступ онлайн
В корзину