На главную | В начало раздела | Курсовые на факультативах | Конференции на физфаке | English
Физика газового разряда
в лаборатории
экспериментальной физики ФФ НГУ
Научный руководитель: Александр Степанович Золкин E-mail: zolkin@phys.nsu.ru
к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики НГУ

Исследование газового разряда в системе с полым катодом
(1996 г)

(слева направо) Д.Беркаев, Е.Волков, И.Николаев,А.Баталов
Научный руководитель: к.ф.-м.н. А.С. Золкин

 

Аннотация

Данная работа посвящена исследованию газового разряда в системе с полым катодом. На основе измеренных вольтамперных характеристик были изучены зависимости пробойного напряжения и тока в разряде от давления, рода газа, геометрических параметров и материала катода. Пределы изменяемых параметров: давление - от 0.02 до 0.7 Torr; расстояние между электродами - от 5 до 10 см; длина катода - от 0.9 до 6 см. Эксперименты проводились для трех газов: воздух, водород и аргон. Цилиндрический катод изготавливался из никеля, латуни, нержавеющей стали и стальной сетки.

Была отмечена высокая стабильность такого разряда и большая величина тока по сравнению с разрядом в системе с плоскими электродами.

Введение

Одним из интереснейших явлений в физике газового разряда является разряд в системе с полым катодом. Тлеющий разряд в системе с полым катодом обладает уникальными характеристиками, отличающими его от разряда в системе с плоскими электродами: большая величина тока, хорошая стабильность разряда. Данные свойства позволяют использовать разряд в спектральном анализе, для создания ионных источников, а также для напыления и распыления материалов.

Еще в прошлом веке исследователи отмечали зависимость характеристик газового разряда от формы катода. Но открытие разряда в системе с полым катодом принадлежит немецкому физику Пашену (1916 г). Он использовал такую форму катода для исследования спектра тлеющего разряда в гелии и обратил внимание на необычайное богатство спектра излучения. С этого времени полый катод стал привлекать внимание многих исследователей, работающих в области спектрального анализа.
Чтобы понять процессы, происходящие в разряде нужно в первую очередь получить характеристики этого процесса, постараться установить некоторые законы и построить характерные зависимости.

Тлеющий разряд с полым катодом

В литературе, как наиболее полное, дается следующее определение полого катода: полым катодом называется катод, имеющий отрицательную кривизну рабочей поверхности [5]. Отличительной чертой данного разряда или, как говорят, эффектом полого катода является большая величина тока, протекающего через разряд, по сравнению с системой с плоскими электродами, имеющей геометрические размеры того же порядка.

Рассмотрим особенности возникновения и развития разряда в системе с полым катодом. По мере увеличения напряжения потенциал анода начинает "проваливаться" в отверстие катода. Примерная картина распределения потенциала электрического поля изображена на Рис. 4.

Рис.1. Распределение потенциала.

Внутри катода как бы образуется положительный "электрод". Формируется система, напоминающая коаксиальные электроды. Электроны, под действием поля начинают осциллировать около центральной части катода. Часть этих электронов вылетает из полости катода через отверстие в крышке в анодные области разряда, ионизируя и возбуждая молекулы газа в промежутке между анодом и катодом. Электроны, эмитированные с поверхности катода, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Внутри полого катода возникает плазменное облако, состоящее из ионизированного газа. Высокая степень ионизации достигается за счет большого числа столкновений электронов и молекул газа при колебании электронов. Ионы, образовавшиеся внутри катода, приобретают в электрическом поле кинетическую энергию и вследствие ионно-электронной эмиссии выбивают новые электроны из внутренней поверхности материала катода.

Следует выделить три основных фактора, влияющих на характеристики газового разряда: 1) геометрические параметры системы; 2) род газа; 3) материал катода. Следовательно, необходимо получить зависимости тока в разряде от давления для различных параметров системы. Также необходимо изучить зависимость напряжения пробоя от давления. Возможно, это поможет понять механизм зажигания и поддержания разряда в системе с полым катодом и роль газа, материала катода и геометрических размеров системы в этих процессах.

Описание экспериментальной установки

Основными элементами экспериментальной установки являются: высоковольтный источник постоянного тока, вакуумная система, измерительный блок, газоразрядная колба с плоским анодом и полым цилиндрическим катодом.

Результаты

На основании проведенных экспериментов установлено:

  1. В системе с полым сетчатым катодом ток в разряде после пробоя не зависит от давления и расстояния между электродами при напряжениях от 450 до 650 В.

  2. В диапазоне давлений от 0.04 до 0.2 Torr напряжение пробоя не зависит от расстояния между электродами.

  3. В диапазоне давлений от 0.2 до 0.7 Torr напряжение пробоя выше для более длинного катода.

  4. Минимальное напряжение пробоя во всех экспериментах составляло около 500 В. Это выше, чем для разряда в системе с плоскими электродами.

  5. В коротком катоде (D меньше 2 см) напряжение пробоя уменьшается при увеличении длины, в длинном катоде (D от2 до 6 см) напряжение пробоя практически не зависит от D в диапазоне давлений от 0.03 до 0.3 Torr.

  6. Существует оптимальный радиус отверстия в крышке катода, напряжение пробоя при котором минимально.

  7. Независимо от длины и диаметра катода минимальное напряжение пробоя при соответствующем выборе давления Uпрmin ~ 500 вольт. Давление, при котором Uпр минимально, растёт при уменьшении длины катода.

  8. Кроме основного в системе иногда возникает "первый" разряд (разряд между анодом и передней стенкой катода) условия возникновения которого в приближении можно считать независимыми от основного разряда.

  9. Ток (при одинаковом напряжении U=500В) в аргоне в 6 раз, а водороде в 1.5 раза превышает ток в воздухе.

  10. Напряжение пробоя для водорода выше, чем для воздуха и аргона в диапазоне давлений от 0.1 до 0,7 Torr.

  11. Напряжение пробоя для воздуха выше, чем для аргона в диапазоне давлений от 0.5 до 1.1 Torr, а для давлений выше 1.1 Torr Uпр выше для аргона.

  12. В области давлений 0,1-0.01 Torr ток в разряде имеет зависимость, обратно пропорциональную давлению с показателем степени 0,57 для никеля, 0,39 для нержавеющей стали, 0,27 для латуни (материалы не обезгажены).

  13. Наклон вольтамперной характеристики после пробоя остается постоянным.

Выводы

Таким образом, в работе исследуется такая важная характеристика газового разряда, как напряжение зажигания разряда в зависимости от различных параметров системы: геометрические размеры, род газа и материал полого катода. Была отмечена высокая (по сравнению с системой с плоскопараллельными электродами) стабильность этого типа разряда и значительная величина тока при малых напряжениях.

На главную | Новости физики | Наука в Internet | Курсовые на практикумах | Курсовые на факультативах
О кафедрах | Лекторий | English for Students | Конференции на физфаке | Наши проекты и спонсоры
Разное... | Фотоальбом | Благодарим | Авторов!!!