Свечение состоит из зон:

1 -первая катодная тёмная область обл.Астона).Толщина обл.-несколько длин свободного пробега электрона.

2-первая катодная область свечения, больше 1 во много раз.

3-вторая катодная тёмная область (обл.Крукса).

4-вторая катодная область свечения, имеет границы: резкую со стороны катода и размытую со стороны анода.

5-третья катодная тёмная область(Фарадеево тёмное пространство),ширина как и у 3.

6-положительный столб разряда, ширина ~(1/2)d и больше.

7-анодное тёмное пространство.

8-анодная область свечения, очень узкая область, прилегающая к аноду.

В области 1 находятся электроны, которые имитированы катодом, они ещё не разогнаны эл.полем, имеют низкую энергию и низкую скорость движения. Их соударения с атомами газа носят упругий характер и не приводят к ионизации. Столкновение не вызывает свечение. Обл.1 очень тонкая,её удобно наблюдать при пониженных давлениях. Обладая малой энергией, электроны накапливаются в приповерхнстной области катода и несколько затрудняют вторичную эмиссию.

В области 2 электроны уже приобрели достаточную энергию и скорость за счёт действия эл.поля. Электроны не приводят к ионизации атомов газа, однако, при неупругом столкновении с ними переводят атомы в метастабильное состояние. Часть возбуждённых атомов переходит обратно в стабильное состояние, при этом выделяется энергия в виде свечения. Часть электронов, имитированных с катода, проходят области 1 и 2 и двигаются дальше, набирая энергию. Часть электронов остаётся в обл.2.

В обл.3 электроны имеют достаточно высокую энергию, при столкновении с атомами вызывают их ионизацию. Электрон выбивает из атома как минимум ещё один электрон. Формируется электронная лавина. В рез-те обл.3 шире предыдущих зон.

Обл.4 является квазинейтральной. В ней присутствуют положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Суммарный заряд равен нулю. Напряжённость эл.поля в этой зоне (Е) близка к 0. Со стороны катода падение Е резкое, со стороны анода Е незначительна и находится на постоянном уровне. Этим обусловлена резкая граница зоны со стороны катода и размытость со стороны анода. Падение Е в зоне 4 связано с высокой электропроводностью плазмы. Свечение обусловлено процессами ионизации. Формирование электронных лавин прекращается. Движение электронов происходит не за счёт действия эл.поля, а за счёт дрейфа, диффузии.

В обл.5 электроны обладают низкой энергией и не вызывают ионизации и свечения.

В обл.6 находится основная масса носителей заряда. Здесь сосуществуют электроны, ионы и нейтр.атомы. Положительный столб играет основную роль в формировании плазмы и свечения. Свечение в положительном столбе тлеющего разряда вызвано переходом возбуждённых атомов и молекул в стабильное состояние выделением избыточной энергии в виде света. В зоне 6 наблюдается градиент концентрации зарядов (в сечении). Центральная часть столба заряжается положительно. Электроны, обладая малой массой и высокой подвижностью, движутся к стенкам, заряжая их отрицательно, однако, в целом область квазинейтральна. Обл.6 очень протяжённая. Если сближать электроды, то будет происходить уменьшение длины положительного столба, а зоны 1-5 не будут изменяться. После того как положительный столб сократится, останутся только зоны 1-5 и разряд перейдёт в несамостоятельную форму, свечение закончится (участок DB).

Обл.7 и 8 достаточно тонкие, они не влияют на поддержание тлеющего разряда. В поддержании тлеющего разряда осн.роль играют катодные области 1-5. В них происходит имитирование электронов, возбуждение и переход в метастабильное состояние атомов, ионизация атомов, процесс, приводящий к вторичной эмиссии электронов, формирование лавин. Обычно тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях меньше 6*10³Па, U=60-400В(зависит от материала), Т<700К.

В процессе нормального тлеющего разряда поверхность катода, принимающая участие в разряде (катодное пятно), пропорциональна силе тока. Увеличение тока не приводит к увеличению плотности тока через катод(EF). Когда площадь катодного пятна сравнивается с площадью катода (т.F), т.е.вся площадь катода участвует в процессе эмиссии, разряд переходит в аномальную форму (FG-аномально тлеющий разряд).

Аном.тлеющий разряд происходит при работе магнетронных распылительных систем (МРС). Повышение тока посте т.F приводит к увеличению U, плотности тока, усилению бомбардировки ионами катода, выделению на нём энергии в виде тепла. Сильный разогрев катода вызывает термоэлектронную эмиссию.

На отрезке GH действуют 4 вида эмиссии: первичная, вторичная, фотоэл., термоэлектронная. Вклад каждого вида эмиссии сопоставим. По мере увеличения тока возрастает температура катода, и, соответственно, роль термоэл.эмиссии.

После т.L вклад термоэл.эмиссии начинает существенно превышать вклад др.видов эмиссии, возникает дуговой разряд. В данном случае образуется самостоятельный дуговой разряд с термоэл.эмиссией.

П ри горении дугового разряда возникают 3 основные области:

I-зона катодного падения потенциала, II-столб дуги, III-зона анодного падения потенциала.

I и III области очень узкие(несколько мкм).

В I области достигается высокая напряжённость эл.поля. основной фактор поддержания разряда- разогрев катода под действием ионной бомбардировки.

Область III не оказывает влияния на процесс горения разряда и зависит от типа разряда, Т и материала анода, давления и состава газа.

Напряжение в области III может отличаться в положительную, отрицательную сторону или не изменяться.

Столб дуги можно уподобить положительному столбу тлеющего разряда. Длина столба дуги м.б.изменена путём регулирования расстояния между электродами.

Дуговой разряд бывает с термоэл. и электростатической эмиссией, самостоятельный и несамост.

Несамост.дуговой разряд с термоэлектронной эмиссией устанавливается после пробоя на участке DE^/. На E^/F^/ ток разряда недостаточен для возникновения вторичной эмиссии. На F^/G^/ ток достаточен для достижения ионами катода, происходит вторичная эмиссия электронов на катоде. Бомбардировка ионами вызывает разогрев катода и возникновение термоэл.эмиссии (G^/H^/). На HM термоэл.эмиссия становится преобладающей, разряд переходит в самост.форму.

Самостоятельный дуговой разряд с термостатической эмиссией (ТСЭ).

Для образования самостоятельных дуговых разрядов с электростатической эмиссией (ЭСЭ) необходимо высокая напряженность эл.поля (автоэлектронная, т.к. не требуется энергетических затрат). В качестве катода используется материал с низкой Ткип.

Например, при зажигании дуги на поверхности катода из ртути Ткип=290К, Р=0,1Па формируется катодное пятно с Т=500К. такая Т недостаточна для ТЭЭ. Испарение ртути приводит к испарению в тонком приповерхностном слое, увеличению давления паров Ме. В этом слое напряженность эл.поля становится очень высокой (10⁸-10⁹В/м). При этих условиях ē эмитируются в количестве достаточном для ТЭЭ. Возможно использование медного катода Ткип=2570К. Однако разрядный ток в этом случаи больше в 5 раз. Особенностью дугового разряда является высокие токи и плотности тока одновременно с этим очень низкие напряжения.

Дуговой разряд может быть и при атмосферном давлении, и при пониженном давлении оказывает значительное влияние на процессы, проходящие в столбе дуги.

Рассмотрим 2 случая:

1. При низком давлении средняя длина свободного пробега ē (в меньшей степени ионов) многократно больше диаметра разрядного промежутка. ē обладают высокой скоростью движения и высокой Тē. Кинетическая энергия ē связана с Т через соотношение:

Wē=2·k·Tē , где k – постоянная Больцмана, W – кинетическая энергия.

Ионы можно считать малоподвижными. Устанавливается градиент концентраций заряженных частиц: центральная часть разрядного промежутка объединяется ē и заряженные положительно, стенки заряженные отрицательно. Пристеночный слой является ускоряющим для ионов и тормозящим для ē.

ē в основной массе отражаются от пристеночного слоя. Лишь отдельные ē, имеющие max скорость, проходят через этот слой и вливаются в то количество ē, которое этот слой образуют.

Кинетическая энергия ионов (W_i): W_i=W_i1+W_i2,

где W_i1≈0,7·k·Tē – это энергия, которую имеет ион на пути от места своего образования для пристеночного слоя;

Wi₂ ≈ē·Uē – это энергия, которую приобретает ион при движении через пристеночный слой. Uē – падение U в пристеночном слое; P<10²Па.

2. При высоком давлении концентрация зарядов (ионов) увеличивается, увеличивается светимость столба дуги.

Газокинетическая Т (Т ионов и нейтральных атомов) увеличивается, а электронная Т уменьшается, т.к. длинна свободного пробега ≤ диаметра разрядного промежутка. Перенос заряда происходит диффузионным путем.

С увеличением давления происходит переход от независимой диффузии к взаимозависимой, при ↑ давления возрастает ток.

В заимодействие тока с его собственным магнитным полем создает силу, сжимающую разрядный столб. Все процессы концентрируются вдоль центральной оси разряда. Промежуточно происходит сжатие дуги, ↑ Тгаза, ионизация атомов облегчается. Такой эффект сжатия (сужения) столба дуги называется электромагнитным пинч-эффектом. Физический пинч-эффект наблюдается при обдуве столба дуги холодным газом. Таким образом при низком давлении ионы, ē и атомы представляют собой независимые коллективы. При высоком давлении образуют сообщества, которые ведут себя одинаково, взаимосвязано.

Плазма низкого давления является неизотермической, высокого – изотермической.

Рис. - зависимость газокинетической и электронной Т в плазме положительного столба для разряда в парах ртути.

Несамостоятельный темный разряд при низких давлениях обычно переходит в тлеющий разряд. При более высоких – в коронный или искровой.

Коронный разряд происходит в случае, когда один из электродов имеет высокую кривизну поверхности, т.е. электроды формируют систему плоскость-остриё. Коронный разряд формируется при высоких давлениях около атмосферного.

Возбуждение и ионизация атомов происходит в непосредственной близости к заостренному электроду, образуя вокруг него подобие светящейся короны. Остальные области разряда остаются темными. Видимые области разряда могут быть локализованы как у катода, так и рядом с анодом. В естественных условиях коронный разряд может возникнуть на верхушках деревьев, мачтах и т.д. это явление называется огни святого Эльма.

При ↑ напряжения коронный разряд переходит в искровой. Искровой происходит при ↑ давления, после достижения напряжения достаточного для формирования электронных лавин. Большая сила тока во время возникновения разряда (искры) снижает напряжение на электродах, разряд прекращается. Затем после накопления заряда между электродами вновь возникает искра.

Такие разряды следуют одни за другим достаточно быстро, сливаясь в зигзагообразные светящиеся линии. Эти линии заполнены плазмой называются стримерами. Сильный нагрев газов в стримерах приводит к резкому увеличению давления, которое сопровождается цветовым эффектом. В природе – в виде молнии.

На явлении искрового разряда основан метод обработки поверхности и нанесения покрытий – электроискровое легирование.

В ысокочастотные разряды (ВЧ) происходят под действием переменного напряжения. Напряжение подается на короткий промежуток времени, зажигается разряд, напряжение снимается, при этом после снятия напряжения плазма сохраняется в течении 10^-5-10^-7сек. Затем происходит деионизация (участок х).

Временная диаграмма ВЧ-разряда.

При достаточно высокой частоте 10кГц-1МГц деионизация не будет проходить до конца и в разрядном промежутке постоянно будет присутствовать плазма.

Необходимая для поддержания ВЧ-разряда частота зависит от давления, длины разрядного промежутка и материала электрода.

ВЧ-разряд в некоторых случаях может и существовать в отсутствии электрода.

Различают 2 типа ВЧ-разряда: Е – типа и Н – типа.

Е – тип основан на использовании энергии эл.поля с напряженностью Е. ВЧ - напряжение подается на электроды, которые могут соприкасаться с плазмой или быть изолированными от нее диэлектрическими стенками разрядной камеры.

Система из 2-х электродов ведет себя по отношению к переменному напряжению как конденсатор, поэтому данные разряды также называют емкостные. Ē совершают возвратно-поступательное движение согласно силовым линиям эл.поля, ускоряются им, вызывая ионизацию разрядного промежутка. Для зажигания разряда необходим подвод мощности нескольких ватт.

Н – тип основан на использовании энергии магнитного поля с напряженностью Н. Этот тип основан на электромагнитной индукции (=> индукционный разряд).

Через катушку соленоида, в которую вставлена диэлектрическая разрядная камера, пропускается ВЧ-ток и внутри катушки индуцируется вихревое э/м поле. Силовые линии этого поля также, как и линии тока в камере, образуют замкнутые круговые линии.

ē движутся сначала возвратно-поступательно, затем закручиваются э/м полем и накапливаются в местах max напряженности поля, вблизи витков катушки и ионизируют газ.

Возвратно-поступательное движение ē достаточно легко обеспечить, с другой стороны – движение по спирали обеспечить трудно, поэтому для Н – типа необходима энергия в несколько к Вт и даже МВт.

ВЧ-разряды используются при осаждении алмазных, оксидных покрытий.

Б арьерный разряд.

На электроды подается разность потенциалов.

В соответствии с потенциалом над поверхностью диэлектрической пластины появляется заряд.

При увеличении напряжения в определенный момент наступает пробой. Происходит множество микроразрядов, во время которого происходит замыкание через газ.

Микроразряд привязан к некоторому участку на диэлектрике обкладках. После прохождения микроразряда заряд на этом участке становится равным 0. Затем через промежуток времени заряды вновь стекаются к нему, разряды вновь стекаются к нему, разряд повторяется.

На процесс влияет конденсированные пары воды на поверхностях электродов (↑ электропроводность и происходит не множество микроразрядов, а большой и единичный разряд).