феноменология тлеющего разряда высокого давления

XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 14 – 18 февраля 2011 г.
ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
А.Э. Медведев
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск, Россия, [email protected]
В последнее время интенсивно развиваются исследования связанные с применением
тлеющего разряда атмосферного давления [1,2]. Не смотря на то, что стационарный тлеющий
разряд высокого давления известен давно [3], не только моделирование, но и существование
таких разрядов с традиционной точки зрения вызывает ряд вопросов. В первую очередь это
связано с тем, что рекомбинация в объёме, приводящая к сжатию токового шнура, и развитие
ионизационно-перегревной неустойчивости непременно должны сопровождаться переходом
разряда в дуговую форму [4]. Общепринятым условием поддержания газоразрядной плазмы
является ионизационное равновесие, состоящее в том, что число рождённых частиц в каждой
точке объёма плазмы равно числу погибших или ушедших в результате диффузии [5]. Нами
показано, что феноменология тлеющего разряда имеет другую природу. Подавляющее число
присутствующих в объёме электронов рождено на катоде и проходит транзитом на анод.
Вместе с тем, ионов идущих с анода, начиная со средних давлений, бывает достаточно,
чтобы компенсировать потери в объёме. При этом, доля потерь в общем балансе,
учитывающем проходящие вдоль электрического тока потоки частиц, с повышением
давления падает и при атмосферных значениях становится ничтожной. Появление
электрического поля в плазме с током непосредственно связано с потерями частиц и
определяется разностью концентраций встречных потоков. Поэтому, рождение плазмы в
объёме, как в результате прямой ионизация при низких давлениях, так и ступенчатых
процессах при высоких, может быть направлено на компенсацию объёмных потерь, и в
общем балансе частиц, начиная с давлений в несколько Торр и выше, становится
несущественным. В этом случае распределение электрического поля, концентрации и
температуры плазмы вдоль тока описывается представленным в [6] механизмом переноса
плазмы и нагревом газа.
При анализе экспериментов с тлеющим разрядом атмосферного давления, помимо
структуры разряда вдоль тока, особый интерес представляет вопрос о физических
механизмах определяющих поперечное сечение токового шнура. В газоразрядной трубке
распределение плазмы по сечению контролируется зарядами стенок. При отсутствии стенок
диффузионное решение Шоттки не применимо, поскольку требует задания граничных
условий. Из рассмотренных в [6] механизмах переноса в направлении перпендикулярном к
току остаются два, основанных на тепловой и энергии электрического взаимодействия
частиц плазмы. Если первая определяет диссипативные процессы, то вторая имеет
кумулятивный характер действия и препятствует расширению токового шнура. Приравнивая
дивергенции потоков плазмы, определяемых той и другой энергиями частиц, получаем
выражение для радиуса шнура.
Полученные результаты качественно объясняют представленные в [2,7] эксперименты.
Литература
[1]. Becker K.H. IEEE Trans. Plasma Sci., 2009, V.37, P, 711.
[2]. Архипенко В.И., Каллегари Т., Ло Ж. и др. Тезисы докладов на XXXVII Межд.
(Звенигородской) конф. по физике плазмы и УТС, 2010, C.188.
[3]. Engel A., Seeliger R., Steenbeck M. Z. Phys., 1933, V.85, P.144.
[4]. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. УФН, 1996, Т.166, С.1197.
[5]. Смирнов Б.М. УФН, 2009, Т.179, С.591.
[6]. Грачёв Г.Н., Медведев А.Э. Тезисы докладов на XXXVII Межд. (Звенигородской)
конф. по физике плазмы и УТС, 2010, С.260.
[7]. Arkhipenko V.I., Callegari T. et al. IEEE Trans. Plasma Sci., 2009, V.37, P.1297.
1