ПлЭ_часть_1_2016

В газоразрядной плазме, как правило, средняя энергия электронов kTe

значительно меньше энергии ионизации атома Wi . В этом случае однократная ионизация может происходить только за счет быстрых электронов, соответствующих «хвосту» функции распределения.

При наличии в газе метастабильных атомов наряду с прямой ионизацией имеет место ступенчатая ионизация, когда под действием электронных соударений атомы переходят в метастабильное состояние e A Aм e , а

при последующих столкновениях с другими электронами e Aм A e e

или при взаимодействии между собой Aм Aм A A e ионизируются. Ступенчатая ионизация имеет место в тех случаях, когда газ оказывается

ионизированным, несмотря на то, что разность потенциалов между электродами меньше, чем величина первого потенциала ионизации данного газа.

Ступенчатая ионизация осуществляется также при достаточной концентрации электронов в плазме, когда возбужденный атом не успевает перейти в основное состояние между двумя последовательными

столкновениями с электронами е A A е, е A е А e . Следует также отметить, что сечение ионизации возбужденного атома превышает сечение атома в основном состоянии. Это связано с тем, что в возбужденном атоме внешний валентный электрон, который перешел на более высокий энергетический уровень, находится на орбите с большим радиусом. Следовательно, возбужденный атом представляет собой мишень для бомбардирующих электронов большую, чем атом в основном состоянии.

Возбуждение и ионизация атомов происходит также под воздействием фотонов при условии, что энергия кванта соответствует энергии возбуждения h eUв или энергии ионизации h eUi .

Процесс перезарядки происходит тогда, когда быстро движущийся ион при взаимодействии с нейтральным атомом газа способен захватить у него валентный электрон и превратиться в нейтральный атом: A1 A2 A1 A2 .

Схема некоторых элементарных процессов, происходящих в газах и плазме, приведена в табл. 1.1.

22

Деионизация газа – это процесс образования нейтральных атомов – рекомбинация, приводящая к уменьшению количества заряженных частиц. Рекомбинация зарядов протекает как на поверхностях стенок и электродов (поверхностная рекомбинация), куда они попадают в результате их диффузионного движения, так и в разрядном промежутке при соударениях.

В зависимости от рода газа и его давления деионизация протекает за время порядка

с, поэтому устройства с газовым наполнением по сравнению с электровакуумными приборами более инерционны и плохо работают на высоких частотах.

10. Процессы на катоде (типы эмиссий) и аноде

Газонаполненный промежуток, через который протекает электрический ток, ограничивается поверхностями с различным функциональным назначением. Электрический ток замыкается через катод, подсоединенный к отрицательному полюсу источника электрического питания, и анод, подключенный к положительному полюсу. Разрядное пространство газонаполненного промежутка также ограничивается стенками, изготовленными из диэлектрического материала.

Характер процессов, происходящих на указанных поверхностях, определяется потоками энергетических частиц, излучений и энергией, подводимой к ним от внешних источников.

Основное назначение катода – эмиссия первичных электронов и формирование условий для выполнения закона непрерывности тока в области катода. Как и в вакуумных промежутках, эмиссия электронов из катода в газоразрядных промежутках может обеспечиваться за счет нагрева эмитирующей поверхности до эмиссионных температур, за счет автоэлектронной эмиссии, взрывной эмиссии. Среди видов эмиссии, характерных для газоразрядных промежутков, следует выделить электронную эмиссию под действием бомбардировки поверхности катода быстрыми ионами и атомными частицами, квантами лучистой энергии и за счет разогрева поверхности катода энергией, приносимой на катод заряженными частицами, ускоренными в плазме и в приэлектродных слоях.

Анод является электродом, на поверхность которого приходят плазменные электроны, электроны, эмитированные катодом, а также ионы.

23

При этом суммарный ток в цепи анода должен равняться току во внешней цепи. Чисто формально с поверхности анода могут эмитироваться электроны за счет вторичной электронной эмиссии, вторичной ионно-электронной эмиссии и фотоэмиссии, однако на практике указанные процессы оказывают незначительное влияние на протекание тока в газовом разряде.

Стенки, ограничивающие разрядный промежуток, обычно воспринимают потоки электронов и ионов с энергией в единицы–десятки электрон-вольт, что формально может стимулировать вторичную электронную и ионно-электронную эмиссию. Однако эти эмиссионные потоки незначительны и при построении моделей процессов в газоразрядных промежутках не учитываются.

Среди эмиссионных процессов, которые имеют большое значение для описания характеристик плазменных приборов и устройств, особо следует выделить ионное или катодное распыление: процесс эмиссии атомов (молекул) с поверхности, подвергающейся бомбардировке быстрыми ионами или атомными частицами. Если энергия, переданная атому мишени, превышает пороговую энергию смещения, то атом может перемещаться непосредственно в направлении к поверхности мишени. При нормальном падении иона, коэффициент распыления пропорционален энергии, рассеиваемой ионом в приповерхностном слое мишени, и распыление происходит только при последовательных вторичных столкновениях первично смещенных атомов.

Процесс ионного распыления в зависимости от назначения прибора или устройства может играть как положительную, так и отрицательную роль.

24