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
700 ₽
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
700 ₽
В корзину