13.4.3. Требования к предыонизации

13.4.3.1. Минимальная плотность предыонизации

Выше при рассмотрении формирования разряда мы предполагали, что плотность электронов и ионов, создаваемая источником предыонизации, и возникающая при этом плазма тлеющего разряда являются пространственно-однородными как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне. В данном разделе мы кратко обсудим влияние недостаточной величины плотности предыонизации на формирование и устойчивость разряда. Наше рассмотрение во многом основывается на работе Леваттера и Лина [84], которые в свою очередь руководствовались работой Палмера [111]. Херцигер и др. [65] приводят аналогичное рассмотрение. Несколько другим является подход, предложенный Карнюшиным и др. [73].

Основные идеи, которые использовали Леваттер и Лин [84], заимствованы из теории стримерного пробоя. Они отмечают, что каждый рожденный источником предыонизации электрон дает начало электронной лавине. По мере развития этих лавин плотность заряженных частиц в каждой лавине возрастает. Если лавины находятся слишком далеко друг от друга, это нарастание приведет к искажению пространственным зарядом поля около каждой верхушки стримера и к возникновению неоднородного тлеющего разряда, состоящего из многих параллельных нитей. Условия, соответствующие началу перекрывания отдельных лавин, когда поле, обусловленное пространственным зарядом, равно внешнему приложенному полю, берутся в качестве критерия оценки минимальной плотности предыонизации. Леваттер и Лин [84] предположили, что внешнее поле увеличивается линейно, и вывели аналитические выражения, с помощью которых можно вычислить 1) критическую длину лавинного трека, для которой выполняется упомянутое выше условие,

2) соответствующий критический радиус верхушки лавины, 3) путь, который проходят электроны при увеличении поля от нуля до предельного значения, 4) минимальную плотность предыонизации и

5) размножение лавин, которое возникает при достижении

лавинной критической длины. Эти авторы указывают на то, что электроны будут удаляться из области, прилегающей к катоду, если источник предыонизации отключить до того, как поле достигнет величины (E/N); этот эффект Леваттер и Лин учитывают в своей модели лишь приблизительно.

В результате проведенного анализа Леваттер и Лин пришли к вывойу, что для смеси при атмосферном давлении, когда время нарастания напряжения увеличивается от 1 не до 1000 не, минимальная плотность предыонизации уменьшается от до . Предсказанное ими уменьшение минимальной плотности предыонизации с увеличением времени нарастания напряжения объясняется тем, что при большем времени нарастания напряжения радиус верхушки лавины имеет больше времени для диффузионного роста. Эти авторы, сравнивая результаты своей теории с многочисленными экспериментальными данными, показали также, что их теория может предсказать условия, при которых будет формироваться однородный тлеющий разряд.

13.4.3.2. Требования к предыонизации на макроскопическом уровне

Макроскопические неоднородности обусловлены 1) применением источников предыонизации, состоящих из набора дискретных излучателей, 2) неоднородностью источников ионизующих частиц или источников излучения, имеющих большую площадь, и 3) поглощением излучения источников предыонизации или ионизующих частиц активной средой газовых лазеров.

Влияние этих макроскопических неоднородностей предыонизации на процесс формирования разряда зависит от того, является ли предыонизация неоднородной в направлении, параллельном или перпендикулярном внешнему электрическому полю. В направлении, параллельном внешнему полю, предыонизация может быть и неоднородной, поскольку пространственный заряд локально искажает поле, изменяет локальную скорость ионизации и создает однородную плазму разряда даже при наличии неоднородной предыонизации. Этот вопрос теоретически рассматривали Клайн и Дэн [74]. Экспериментальное подтверждение своих теоретических результатов они приводят в работе [42]. В этих экспериментах источник предыонизации представлял собой плоскую решетку из искровых разрядников, создававшую однородную в поперечном направлении плотность предыонизации. Светимость разряда и коэффициент усиления активной среды исследуемого ими электроразрядного СО2-лазера были однородными в объеме

Дэн и Клайн [42] на той же установке изучали влияние поперечной неоднородности предыонизации, что осуществлялось путем отключения половины плоской решетки искровых разрядников. В этом случае оказалось, что расчетные значения плотности предыонизации и измеренные светимости разряда ведут себя аналогичным образом. Полностью развившийся разряд появляется только в той половине разрядного объема, которая была подвергнута сильной предыонизации.

Эти результаты свидетельствуют о том, что поперечная однородность предыонизации играет важную роль, и подтверждают теоретически предсказанное явление сглаживания при формировании разряда неоднородностей предыонизации в параллельном внешнему полю направлении. Когда предыонизация и возникающий тлеющий разряд являются неоднородными в поперечном к полю направлении, энерговклад будет также неоднородным. Обнаружено, что порог образования дуги пропорционален энерговкладу [75, 106]. Следовательно, в поперечно неоднородном разряде переход в- дугу произойдет при меньшем среднем энерговкладе.

13.4.4. Влияние приэлектродных областей на формирование и устойчивость тлеющего разряда

В процессе формирования разряда около обоих электродов формируются слои пространственного заряда [39, 102]. Известно, что эти тонкие слои представляют собой области, в которых по сравнению с положительным столбом энерговклад значительно выше. Кулик и др. [39] и Печерский и др. [116] наблюдали акустические волны, возникающие из-за перегрева газа в области, прилегающей к электродам. Экспериментальные наблюдения показали также, что образование дуги наблюдается сначала именно в приэлектродных областях [98, 101]. Более того, эти авторы связывают формирование дуги с увеличением поля на локальных микровыступах или неоднородностях поверхности электродов. Было показано, что полирование поверхности электродов подавляет формирование дуги [46].

Существующая ныне картина формирования приэлектродных областей неполна, хотя в последнее время появилось несколько работ, посвященных свойствам этих слоев [33, 82, 90, 102, 146] и газодинамическим явлениям, имеющим место около электродов [39, 90, 116]. Можно ожидать, что на формирование приэлектродных слоев влияют как свойства вторичной эмиссии катода, так и его микроструктура.

По-видимому, наши возможности по созданию однородных тлеющих разрядов больших объемов для применения в лазерах будут возрастать, по мере того как будет углубляться наше понимание свойств приэлектродных областей и когда мы сможем управлять ими.