13.4. Физика самостоятельного тлеющего разряда

В течение 1970-х гг. широкое применение разрядов высокого давления для накачки лазеров привело к тому, что тлеющий разряд высокого давления из малоизученной фазы пробоя газов высокого давления превратился в весьма важный для техники объект. Соответствующие разработки дали толчок к изучению физики тлеющего разряда высокого давления. В этих исследованиях рассматривались физические процессы, которые играют важную роль на стадиях формирования, поддержания и обрыва разрядов, причем были поставлены следующие вопросы:

1) Как формируется разряд?

2) Как он поддерживается?

3) Какие процессы ведут к образованию дуги?

4) Какова роль предыонизации на каждой из этих стадий в самостоятельном разряде с предыонизацией?

В данном разделе мы сконцентрируем наше внимание на рассмотрении физики самостоятельных разрядов с предыонизацией. Соответствующие экспериментальные результаты можно кратко подытожить, описывая стадии формирования, поддержания и окончания разряда для случая, когда разряд питается от генератора импульсного напряжения с постоянным выходным импедансом. На рис. 8, а показана схематически экспериментальная установка для этого случая. На рис. 8, б [75] представлены соответствующие экспериментально полученные временные зависимости напряжения и тока для СО2-лазера с рабочим объемом 10 л, а также расчетная зависимость плотности электронов от времени. На каждой стадии разряда важную роль играют следующие физи-! ческие процессы:

1. Формирование. Эта фаза начинается с предыонизации разрядного объема. При замыкании коммутатора импульс высокого напряжения прикладывается к разрядным электродам, что приводит к росту плотности электронов и тока разряда (рис. 8, б), до тех пор

Рис. 8. (см. скан) а — схематическое представление экспериментальной установки; б - измеренные напряжение и ток разряда, а также расчетные зависимости плотности электронов от времени для самостоятельного тлеющего лазерного разряда, питаемого от ГИНа.

пока кажущийся импеданс разряда не станет равным характеристическому импедансу ГИНа.

2. Режим стационарного горения. На этой стадии, как показано на рис. 8, б, разрядное напряжение, ток и плотность электронов приблизительно постоянны. Когда ГИН «согласован» с разрядом, длительность разрядного импульса равна длительности электрического импульса ГИНа.

3. Распад разряда или образование дуги. Разрядное напряжение, ток и плотность электронов достигают нуля одновременно, если только во время импульса разряда не образуется дуга. Дуга «зако-рочивает» разряд, и ток протекает через локализованную высокопроводящую дугу, в то время как в других местах ток перестает течь.

Ниже мы обсудим вопрос о том, какую роль играют физические процессы и задающая цепь в режиме стационарного горения разряда. Мы определим также параметры масштабирования разряда. Затем опишем процесс формирования тлеющего разряда и обсудим режим горения разряда с задающей цепью, когда не имеется стационарной стадии тлеющего разряда. Наконец, сформулируем требования к ионизации, необходимой для формирования однородного тлеющего разряда, и качественно рассмотрим факторы, обусловливающие образование дуги. Вопрос о причинах образования дуги и других неустойчивостей разряда более подробно рассматривается в гл. 14.

13.4.1. Стационарный режим горения разряда

13.4.1.1. Образование и исчезновение электронов; предельное значение E/N

Импульсные тлеющие разряды являются самостоятельными, когда образование электронов, обусловленное ударной ионизацией, уравновешивает исчезновение электронов вследствие их прилипания (см. гл. 2 настоящей книги) и рекомбинации (см. гл. 6 настоящей книги). В большинстве случаев электроны являются также основными носителями тока, поскольку их подвижность значительно выше подвижности положительных и отрицательных ионов.

Электроны играют основную роль в разряде. Следовательно, теоретическое предсказание их транспортных свойств достаточно для того, чтобы описать поведение разряда.

Во многих газовых смесях одноступенчатая ионизация и диссоциативное прилипание являются основными процессами соответственно образования и исчезновения электронов. При этом уравнение непрерывности для электронов разряда запишется в виде

где — плотность электронов, — время, — расстояние от катода, измеряемое в направлении приложенного однородного

электрического поля, — скорость дрейфа электронов, а — соответственно коэффициенты ионизации и прилипания электронов. При выводе уравнения (7) мы предполагали, что величина пространственно-однородна в направлении, перпендикулярном приложенному электрическому полю.

Рис. 9. Расчетные коэффициенты ударной ионизации (штриховые кривые) и прилипания (сплошные кривые) в зависимости от Е/N для смесей СО2- и XeF-лазеров.

Из уравнения (7) следует, что пространственно-однородный стационарный разряд может существовать при Экспериментально обнаружено, что отношение напряженности электрического поля в разряде к плотности частиц (Е/N) не зависит от плотности тока разряда. Действующее значение отношения Е/N было получено теоретически, путем численного решения уравнения Больцмана и нахождения распределения электронов по энергиям. Это можно найти, например, в работах Ловке и др. [91] для смесей СО2-лазера, а также Грине и Брау [60] для смесей лазеров на галогенидах инертных газов. На рис. 9 представлены типичные расчетные зависимости величин а и с от Для каждой смеси действующее значение Е/N, обозначаемое через равно величине Е/N, при которой

На рис. 10 приведены для сравнения расчетные и экспериментальные действующие значения Е/N в разряде для двух смесей СО2-лазеров и для двух смесей XeF-лазера. Данные по СО2 взяты из

работы Дэна и Ловке [43]. Во всех случаях измеренные величины E/N действительно оказались постоянными в широком диапазоне измеренных плотностей тока и хорошо согласующимися с теоретической величиной (E/N). Следует заметить, что

так что стационарное значение напряжения разряда V определяется физическими процессами образования и гибели электронов в тлеющих разрядах этих лазеров.

Рис. 10. Измеренные и расчетные вольт-амперные характеристики для смесей СО2- и XeF-лазсров.

Модель разряда, описываемая уравнением (7), не учитывает следующих двух физических процессов, которые могут влиять на величину (Е/N) в смесях Не, а именно 1) выгорание и 2) двухступенчатую ионизацию атомов Хе. Если эти процессы включить в модель разряда [76], то теоретические значения (E/N) будут уменьшаться, во-первых, при возрастании плотности тока и, во-вторых, со временем в течение разрядного импульса. Расчетные и измеренные значения (Е/N), как показано справа на рис. 10, уменьшаются примерно лишь на 10% даже при достижении высоких плотностей тока (100 А/см2).